FR2783356A1 - Photodetecteur infrarouge et procede pour sa fabrication - Google Patents
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Abstract
Un photodétecteur infrarouge comprend une couche de photo-absorption (13) formée sur un substrat (11) comprenant une structure à puits multiquantique, et un motif de diffraction (14b) formé au-dessus de la couche de photo-absorption. Le motif de diffraction comporte des évidements dont la forme en plan contient des courbes. De cette façon, le photodétecteur infrarouge peut être formé au moyen de moins d'étapes de conformation et permet de détecter efficacement le rayonnement infrarouge.
Description
I
ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un photodétecteur infrarouge et un procédé pour sa fabrication et plus particulièrement, un photodétecteur infrarouge qui comporte une structure à puits multiquantique formant un réseau de plan focal ainsi que son procédé
de fabrication.
2. Description de l'art antérieur
Les photodétecteurs infrarouges multiquantiques (QWIP) basés sur les réseaux de plan focal (FPA) sont utilisés pour une imagerie par infrarouges dans la plage des longueurs d'onde de 8 à 12 pm. Un tel photodétecteur infrarouge à puits multiquantique (MQW) est décrit
dans B. F. Levine, J. Appl. Phys. 74(8), 15 Octobre 1993, par exemple.
Les photodétecteurs infrarouges à puits quantique sont constitués par un substrat en arséniure de gallium (GaAs) muni d'une structure MQW obtenue par croissance épitaxiale qui est constituée par des couches alternées en AlGaAs et en GaAs. Les couches MQW sont conformées par lithographie selon des mesas afin de former des éléments ou pixels séparés. Un exemple d'un photodétecteur infrarouge comportant de telles couches MQW est représenté sur les
figures 1Aet lB.
Une structure comportant une couche MQW 2 est formée sur un substrat en GaAs 1, la couche MQW 2 est partitionnée par des évidements 3 formés par lithographie et des circuits à semiconducteur (non représentés) formés dans un substrat en silicium 9 sont connectés à des parties partitionnées. Par conséquent, chaque zone
partitionnée par les évidements 3 est un pixel PX.
Un rayonnement infrarouge arrive en incidence depuis l'arrière du substrat en GaAs 1. Le rayonnement incident comporte seulement des composantes Ey et Ex qui sont parallèles à la surface du substrat en GaAs 1. Une structure en coupe d'une zone de pixel du photodétecteur infrarouge est représentée sur la figure 2 par exemple. Sur la figure 2, une couche de type n la formée en GaAs, une couche MQW 2 et une couche de type n 3 formée en GaAs sont formées séquentiellement sur un substrat en GaAs de type n 1. Un réseau de diffraction 4 est ensuite formé sur une surface supérieure de la couche de type n 3. Et le réseau de diffraction 4 entre en contact
avec un substrat en silicium 9 via un bossement 5 formé en indium.
Dans ce cas, sur la figure 2, un index de référence 6 représente un
évidement qui partitionne des pixels voisins.
Le rayonnement qui entre au niveau de chaque pixel au travers du substrat en GaAs 1 est détecté par une transition électronique photo- induite générée dans la couche MQW 2. La lumière reçue par un pixel du photodétecteur infrarouge est convertie selon un courant électrique puis est émise en sortie sur un circuit électronique (non
représenté) qui est formé sur le substrat en silicium 9.
Cependant, la couche MQW 2 absorbe seulement le rayonnement qui comporte une composante de champ électrique perpendiculaire au plan épitaxial. Ceci signifie que pour un rayonnement normalement incident destiné à être absorbé, sa
direction doit être modifiée à l'intérieur d'un pixel de détecteur.
Pour modifier la direction d'un rayonnement incident, un réseau de diffraction gravé sur le sommet des pixels comme schématiquement représenté sur la figure 2 est classiquement utilisé. Le rayonnement diffracté depuis le réseau 4 est confiné au pixel au moyen d'une
réflexion interne totale.
Différents schémas pour faciliter l'absorption de la lumière, c'est-àdire un couplage optique dans le QWIP, ont été passés en
revue par l'article mentionné ci-avant de Levine.
Les études ont débuté par un procédé simple constitué par un éclairement MQW au travers d'un bord de substrat poli selon un angle
de 45 comme utilisé dans les études antérieures.
L'efficacité du couplage a été initialement améliorée au moyen de réseaux de diffraction en bandes métalliques planes, lesquels
pouvaient diffracter la lumière selon des angles proches de 90 .
Ultérieurement, des réseaux périodiques monodimensionnels et bidimensionnels gravés munis d'une couche de réflexion interne sur un substrat ont respectivement encore amélioré l'efficacité jusqu'à environ
quatre fois celle de la géométrie de couplage à 45 .
En tant que réseau périodique bidimensionnel, comme représenté sur la figure 3A, il y a un réseau périodique 4. Comme représenté sur les figures 3B et 3C, une partie concave 4b est formée dans le milieu d'une unité 4a par gravure. Une pluralité d'unités 4a sont
formées à la façon d'une matrice comme représenté sur la figure 3A.
Dans J. Appl. Phys. 71(7), 1er Avril 1992, pp. 3600 - 3610, Anderson et suivants ont mis en oeuvre une analyse théorique détaillée et ont obtenu expérimentalement, pour une plage de longueurs d'onde de 8 à 10 pm, une efficacité égale à environ deux à trois fois celle de la géométrie du couplage à 45 . Cependant, comme représenté sur la figure 3C, le réseau périodique muni d'une couche de réflexion interne 3 pouvait assurer seulement deux passages au
travers de la couche MQW 2.
Dans Appl. Phys. Lett. 64(1994), pp. 960-962, Sarusi et suivants ont démontré que l'augmentation du nombre de passages au travers de la couche MQW en utilisant un réseau pseudo-aléatoire permet d'obtenir des efficacités égales à environ 14 fois celle du couplage à 45 . De manière expérimentale, une efficacité d'environ huit fois supérieure à celle du couplage à 45 a été démontrée pour une longueur d'onde de réponse de crête de 16,4 pm. Lors de leur expérimentation, le confinement de la lumière sur un pixel a été réalisé
en amincissant un substrat en GaAs.
Le réseau pseudo-aléatoire 4 présente la structure qui contient trois surfaces en marche 4c, 4d, 4e dont chacune présente une hauteur différente, comme représenté par exemple sur les figures 4A à 4C, et est formé par les deux marches gravées conformées. Une dimension optimisée pour cette cellule unitaire était d'environ 5,7 pm et
une largeur de caractéristique la plus faible était de 1,25 pm.
Ultérieurement, Gunpala et suivants, dans IEEE Trans.
Electron Devices, 44 (1997), pp. 45-50, ont utilisé un réseau pseudo-
aléatoire pour un dispositif QWIP présentant une longueur d'onde de 15 pm. Par ailleurs, dans l'article paru dans IEEE Trans. Electron Devices, 44(1997), pp. 51-57, Gunpala et suivants ont utilisé un réseau pseudoaléatoire pour un dispositif QWIP présentant une longueur d'onde de 8,5 pm. Cependant, ils pouvaient obtenir seulement une très faible capacité de réponse, par exemple à la longueur d'onde de 8,5 pm, la capacité de réponse était de 0,3 AN/W et à une longueur d'onde de 14 pm, la capacité de réponse était 0,4 A/W. Cette capacité de réponse est légèrement inférieure à deux fois celle due au couplage à . Pour la longueur d'onde de 8,5 IJm, un réseau pseudo-aléatoire optimisé comporte une cellule unitaire d'une largeur de 2,9 pm et d'une largeur de caractéristique la plus petite de 0,4 pm, ce qui est difficile à
fabriquer de façon précise.
Par conséquent, il a été considéré qu'à la longueur d'onde de 8,5 pm, il est essentiel d'utiliser un réseau périodique qui présente une dimension de caractéristique la plus petite supérieure à celle du réseau pseudoaléatoire mentionné ci-avant. Ceci aboutit à abaisser
l'efficacité de diffraction.
Comme mentionné ci-avant, un schéma de couplage optique qui a démontré l'efficacité de couplage optique la plus élevée dans le QWIP utilise un réseau pseudo-aléatoire. Cependant, le schéma de couplage est difficile à mettre en oeuvre à des longueurs d'onde plus courtes. Le schéma de couplage qui utilise des réseaux périodiques croisés, lequel conduit normalement à une efficacité de couplage plus faible que celle avec le réseau pseudo-aléatoire, est considéré comme
convenant pour des longueurs d'onde de crête au voisinage de 8,5 pm.
Des schémas antérieurs ont utilisé des surfaces angulées sur le sommet du pixel en combinaison avec les réseaux de réflexion, les
réseaux métalliques plan, les réseaux en dents de scie etc...
Quel que soit le cas, si un réseau de diffraction périodique bidimensionnel tel que sur les figures 3A à 3C est utilisé, la capacité de
couplage optique élevée telle qu'obtenue dans les réseaux pseudo-
aléatoires sur la figure 2 et sur les figures 4A à 4C ne peut pas être obtenue puisque la lumière est réfléchie par le réseau périodique selon un angle de 90 par rapport à la surface du substrat (non représenté) à
l'instant de la seconde diffraction.
Cependant, si le réseau pseudo-aléatoire utilisé pour la longueur d'onde de 8,5 pm est construit en utilisant la structure telle que représentée sur les figures 4A à 4C, le nombre de marches est augmenté puisqu'une lithographie à deux étapes est requise, comme décrit ci-avant. En outre, du fait que la largeur de la zone de marche la plus basse est faible telle qu'environ 0,4 pm, il est difficile de conformer la largeur selon une précision élevée et il difficile d'aligner les motifs
lors de la lithographie à deux étapes.
Si la précision de conformation est dégradée, le couplage optique dans le photodétecteur infrarouge à puits multiquantique est abaissé.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention consiste à proposer un photodétecteur infrarouge comportant un motif de diffraction nouveau
ainsi que son procédé de fabrication.
Les objets mentionnés ci-avant peuvent être couverts en proposant un photodétecteur infrarouge comprenant une couche de photo-absorption formée sur un substrat afin de disposer d'une structure à puits multiquantique; et un motif de diffraction formé sur la couche de photo- absorption de manière à disposer d'évidements dont une forme plane de chacun contient des formes incurvées et dont une
forme en coupe de chacun comporte une forme en marche unique.
Par ailleurs, les objets mentionnés ci-avant peuvent être atteints en proposant un procédé de fabrication d'un photodétecteur
infrarouge comprenant les étapes de formation d'une couche de photo-
absorption présentant une structure à puits quantique sur un substrat; formation d'une couche de transmission de lumière sur la couche de photoabsorption; formation d'un masque sur lequel des motifs comportant des formes incurvées sont formés, sur la couche de transmission de lumière; formation d'un motif de diffraction sur la couche de transmission de lumière en gravant la couche de transmission de lumière dans des zones qui ne sont pas recouvertes
par le masque; et enlèvement du masque.
Selon la présente invention, le motif de diffraction dont la forme plane inclut des courbes (par exemple des courbes elliptiques) est formé sur la couche de photo-absorption de la structure à puits
multiquantique.
Il a été vérifié que le taux de couplage optique des rayons infrarouges de la longueur d'onde de 8,5 pm peut être amélioré au moyen d'un tel motif de diffraction. En outre, du fait que les évidements qui constituent le motif de diffraction présentent une forme en coupe similaire à une unique marche, ces évidements peuvent être formés au moyen d'une unique étape de lithographie et par conséquent, les étapes de fabrication peuvent être réduites. En outre, la largeur du motif de diffraction est d'environ 0,6 pm et par conséquent, la
fabrication du motif est plus aisée.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1A est une vue en plan qui représente un photodétecteur infrarouge dans l'art antérieur; la figure 1 B est une vue en coupe qui représente le photodétecteur infrarouge de la figure 1A; la figure 2 est une vue en coupe qui représente un photodétecteur comportant un réseau pseudo-aléatoire selon l'art antérieur; la figure 3A est une vue en plan qui représente un réseau de diffraction périodique bidimensionnel selon l'art antérieur; la figure 3B est une vue en plan qui représente un pixel du réseau de diffraction périodique bidimensionnel de la figure 3A; la figure 3C est une vue en coupe qui représente un pixel du réseau de diffraction périodique bidimensionnel de la figure 3A;
la figure 4A est une vue en plan qui représente réseau pseudo-
aléatoire selon l'art antérieur; la figure 4B est une vue en plan qui représente un pixel du réseau pseudo-aléatoire de la figure 4A; la figure 4C est une vue en coupe qui représente un pixel du réseau pseudoaléatoire de la figure 4A; les figures 5A à 5D sont des vues en coupe qui représentent des étapes de fabrication d'un photodétecteur infrarouge selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 6A est une vue en plan qui représente un motif de base qui constitue un motif de diffraction selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 6B est une vue en plan qui représente un motif formé en combinant deux motifs de base ensemble; la figure 7A est une vue en plan qui représente un premier exemple d'un motif de diffraction selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 7B est une vue en coupe qui représente le motif de diffraction tel que vu selon une ligne I-I de la figure 7A; la figure 8 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un premier élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 9 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un second élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 10 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un troisième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 11 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un quatrième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 12 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un cinquième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 13 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un sixième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 14 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un septième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 15 est une vue en plan qui représente une zone de gravure et une zone de non gravure d'un huitième élément qui constitue le motif de diffraction de la figure 7A; la figure 16 est un graphique qui représente des relations entre des efficacités de couplage dans des QWIP conformément au mode de réalisation de la présente invention et selon l'art antérieur et une dérive (augmentation ou diminution) de la zone de gravure par rapport à une valeur de conception; la figure 17A est une vue en plan qui représente un second exemple d'un motif de diffraction selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 17B est une vue en coupe qui représente le motif de diffraction tel que vu selon une ligne 11-11 de la figure 17A; la figure 18A est une vue en plan qui représente un troisième exemple d'un motif de diffraction selon un mode de réalisation de la présente invention; et la figure 18B est une vue en coupe qui représente le motif de
diffraction tel que vu selon une ligne 111-111 de la figure 18A.
DESCRIPTION DU MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
Un mode de réalisation de la présente invention sera expliqué
en détail ci-après par report aux dessins annexés.
Un processus de conception du réseau de couplage optique du photodétecteur infrarouge à multiples puits quantiques (QWIP) est mis en oeuvre en utilisant la théorie de la diffraction qui est basée sur le calcul du champ diffracté dans les pixels. Les inventeurs de la présente invention ont trouvé de façon théorique des motifs de diffraction qui permettent d'atteindre un coefficient de couplage élevé et qui peuvent être utilisés pour une longueur d'onde courte telle
qu'une longueur d'onde de 8,5 pm.
Des étapes de formation du motif de diffraction d'un QWIP de
la présente invention seront expliquées ci-après.
Tout d'abord, comme représenté sur la figure 5A, des couches semiconductrices sont formées afin de constituer le photodétecteur infrarouge à multiples puits quantiques (QWIP). Plus particulièrement, une première couche en GaAs de type n 12 d'une épaisseur de 1 pm, une couche MQW 13, une seconde couche en GaAs de type n 14 d'une épaisseur de 2 pm sont formées sur un substrat en GaAs de type n 11. La couche MQW 13 est formée en empilant de l'arséniure de gallium (GaAs) et de l'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs) ou de l'arséniure de gallium (GaAs) et de l'arséniure d'indium-gallium (InGaAs) ou leur combinaison en alternance en tant que pluralité de couches. La croissance des couches depuis la première couche en GaAs de type n 12 jusqu'à la seconde couche en GaAs de type n 14 est mise en oeuvre au moyen du procédé MOVPE (épitaxie en phase vapeur d'organo-métalliques), du procédé MBE (épitaxie par jet moléculaire)
ou similaire par exemple.
Puis comme représenté sur la figure 5B, une réserve est déposée sur la seconde couche en GaAs de type n 14 puis un motif de réserve 15 est formé en exposant/développant la réserve. Le motif de réserve 15 est un motif de diffraction contenant des courbes. Par exemple, comme représenté sur la figure 6A, le motif de diffraction comporte une ouverture qui est dérivée en divisant un motif qui contient une première courbe elliptique dont le rayon est inférieur à celui d'une seconde courbe elliptique à l'intérieur de la seconde courbe elliptique selon quatre motifs. La première courbe elliptique et la seconde courbe elliptique sont déplacées de façon mutuelle de 90 . A titre d'exemple, en combinant les motifs de base représentés sur la figure 6A ensemble, un motif de diffraction présentant une forme plane
comme représenté sur la figure 7A est formé.
Après que le motif de réserve 15 mentionné ci-avant a été formé, comme représenté sur la figure 5C, un évidement 14a dont la forme en plan contient une partie de la courbe elliptique et dont la forme en coupe comporte une unique marche est formé sur une surface supérieure de la seconde couche en GaAs de type n 14 en gravant une zone de la seconde couche en GaAs de type n 14 qui n'est pas recouverte du motif de réserve 15. Un motif de diffraction 14a présentant une forme en coupe représentée sur la figure 7B apparaît sur la surface supérieure de la seconde couche en GaAs de type n 14 lors du transfert du motif représenté sur la figure 6B ou sur la figure 7A sur la seconde couche en GaAs de type n 14. Une profondeur de gravure a de la seconde couche en GaAs de type n 14 est établie de manière à être inférieure ou égale à la moitié d'une longueur d'onde I'p à laquelle on observe l'absorption la plus forte dans la couche
MQW 13 par exemple.
Le motif elliptique de quart représenté sur la figure 7A est connecté à la zone de gravure. Une aire totale de la partie gravée est établie de manière à être sensiblement égale à une aire totale de la
partie non gravée.
De cette manière, après que les évidements 14a dont chacun comporte des courbes elliptiques sont formés sur la surface supérieure de la seconde couche en GaAs de type n 14, le motif de réserve 15 est ôté à l'aide d'un solvant. En tant que résultat, le nouveau motif de diffraction qui comporte les évidements 14a est formé sur la surface
supérieure de la seconde couche en GaAs de type n 14.
Ensuite, comme représenté sur la figure 5D, un film de réflexion 16 qui est formé en un matériau conducteur tel que de l'or, de l'argent, de l'aluminium etc... qui présente une réflectance élevée est formé dans les parties concaves 14a ainsi que sur la seconde couche en GaAs de type n 14 par pulvérisation ou par évaporation sous vide. Le film de réflexion 16 formé à partir de ce matériau conducteur est utilisé
en tant que cathode.
Puis la cathode 16 est conformée au moyen du procédé de lithographie et un bossement 17 réalisé en indium (In) est formé sur la cathode 16 puis le bossement 17 est connecté à un circuit intégré à semiconducteur qui est formé sur un substrat en silicium (non représenté). Par conséquent, une structure de base du photodétecteur
infrarouge est terminée.
Comme décrit ci-avant, puisque le motif de diffraction peut être formé au moyen d'une unique étape de photolithographie, il est plus aisé à fabriquer que le réseau pseudo-aléatoire classique représenté
sur les figures 4A à 4C, lequel nécessite deux étapes ou plus.
En outre, puisque la largeur la plus étroite des motifs de diffraction selon le mode de réalisation de la présente invention peut
être établie à environ 0,6 pm, la précision du motif peut être améliorée.
Puis sur la base des motifs de base qui sont représentés sur la figure 6A et qui constituent le motif de diffraction sur la surface supérieure d'un pixel d'un élément de réception de lumière, une zone à graver et une zone qui n'est pas à graver sont obtenues au moyen des
formules mathématiques présentées dans ce qui suit.
Pour commencer, on suppose que les directions longitudinale et latérale du motif elliptique de quart comme représenté sur la figure 6A et que la direction de gravure sont respectivement établies en tant que axe x, axe y et axe z et qu'une coordonnée d'un point P dans la zone de gravure est établie en tant que (x, y, z). Une coordonnée d'un
point de référence est établie en tant que (x0, y0, z0).
Dans ce cas, x du point P est dans la plage définie par
xO < x < xo+C et y du point P est dans la plage définie par Yo < y < yo+ C.
Le symbole C représente la distance constante.
Les éléments (1) à (8) qui suivent représentent des zones de gravure respectives en fonction de différences du point de vue des motifs elliptiques de quart. Au niveau des éléments (1) à (8), un symbole d représente la profondeur de gravure de la seconde couche en GaAs de type n 14, z = zo- d représente la partie concave gravée 14a et z = zo représente la zone de non gravure. a1 et bl représentent respectivement un axe semi-secondaire et un axe semi-principal de la première courbe elliptique et a2 et b2 représentent respectivement un axe semi-principal et un axe semi-secondaire de la seconde courbe elliptique. (1) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 8: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo- d: si y1=YO+[a12b12b12(x-xO)2]"12/a1 et y2=YO+[a22b22- b22(X-Xo)2]1/2/a2 sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait la condition définie par xo < x < xo+a1 et y1 < Y < Y2, ou en tant qu'une aire qui satisfait les conditions définies par xo + a1 < x < xo + a2 et Yo < Y < Y2 et qui satisfait les conditions yO < Y2 < yo+C et
Yo < y1 < yo+C.
(2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire définie au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
(2) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 9: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo- d: si y1=(yo+C)+[a12b12- a12(XX0)2]1/2/b1 et y2=(yO+C)+ [a22b22a22(x-xo)2]1'2/b2, sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo c x < xo + b. et Y2 < y - Yi ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + b. c x _ xo + b2 et Y2 < Y - yO + C et qui satisfait les conditions définies par yO < Y2 < yo+Cetyo< y, < yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est pas gravée et par conséquent, z = zo (3) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 10: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo- d: si yl=(yo+C) + [ai2b 12 b12(x-C-xO)2]1/2/a1 et Y2=(y0+C) + [a22b22 b22(x-C- xo)2]l2/a2, sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C - a2 < x <XO + C - ai et Y2 < y < yo+C ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par XO + C - a,< x < xo + C et Y2 < y <y, et qui satisfait les conditions définies par yo < y2s YO + C et yo < y < yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
(4) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 11: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo0- d: si y1=yo+[al2bb12 a12(x-C-Xo)2]1/2/b et Y2=Yo+ [a22b22- a22(x-C-xo)2]112/b2, sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C - b2 < x <xO+ C - b1 et Yo < Y < Y2 ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C-b,< x < xo + C et Yo < y < y, et qui satisfait les conditions définies par YO< y2 YO + C etyo <y, Y yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
(5) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 12: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo - d: si y1=yo+[a,2b12- b12(x-C-xo)2]"2/ai et Y2=Yo+[a22b22- b22(x-C- xo)2] l2/a2, sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C - a2 < x <xO+ C - a, et Yo < Y Y2 ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C a, < x < xo + C et y, < y < Y2 et qui satisfait les conditions définies par YO -y2- YO + C et yo < y, < yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
(6) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 13: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie parz=zo- d: si y,=yO+[a12b12- a12(x-xo)2]"2/b1 et y2=yO+[a22b22- a22(X-XO)2]1/2/b2, sont supposés; la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo < x < xo + b, et y, < y < Y2 ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + b, < x < xo + b2 et yO < y < Y2 et qui satisfait les conditions définies par Yo < Y2 s Yo + C et Yo < Yi < Yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire définie au niveau de (1) n'est pas gravée et par conséquent, z = zo (7) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure 14: (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo- d: si yj=(yo+C)+ [al2b12- b12(x-xo)2]/2/al et y2=(yo+C)+[a222-b22- b22(x-xo)211/2/a2, sont supposés; la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo < x < xo + a, et Y2 < y -< Y ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + a1 < x < xo + a2 et Y2 < y < yo + C et qui satisfait les conditions définies par Yo < Y2 < yo+C et yo < y, < yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
(8) Conditions pour le motif de gravure représenté sur la figure : (1) Une zone qui est gravée jusqu'à la profondeur définie par z = zo - d: si y1=(yo+C)+[a12b12- a12(x-C-xo)2]1/2/b1 et y2=(yO+C)+ [a22b22-a22(x-C-xo)2] /2/b2, sont supposés, la zone de gravure peut être donnée en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xo + C - b2 < x <xO + C - b. et Y2 < Y < yo ou en tant qu'aire qui satisfait les conditions définies par xO+C - b1 < x < xo + C et Y2 < y < Y, et qui satisfait les conditions définies par YO < Yy2< yO + C et yo < y, < yo + C. (2) Une zone qui n'est pas gravée: Une zone à l'exception de l'aire donnée au niveau de (1) n'est
pas gravée et par conséquent, z = zo.
Au niveau des éléments (1) à (8) mentionnés ci-avant, xo et yo sont augmentés par pas tels que respectivement xo=mC et yo=nC, o
m et n sont tous deux des nombres entiers.
Le motif représenté sur la figure 7A peut être formé en utilisant les formules mathématiques présentées au niveau des éléments (1) à (8) Dans ce cas, la dimension de caractéristique la plus faible dans le motif est observée lorsque deux motifs de la figure 6A sont constitués ensemble comme représenté sur la figure 6B. La largeur de la caractéristique la plus faible dans ce cas est de 2al. La valeur optimisée de a1 pour une longueur d'onde de 8,5 pm est de 0,4 pm comme mentionné au niveau des éléments (1) à (8). Puisque la caractéristique est de forme elliptique et non pas rectangulaire, la largeur moyenne est estimée comme valant 0, 6 pm et non pas 0,8 pm, figure 7A. Pour la longueur d'onde de réponse de crête de 8,5 pm, la valeur optimum de C est de 3,5 pm et les valeurs de al, bl, a2 et b2 sont respectivement de 0,4 pm, 0,9 pm, 3,0 pm et 2,4 pm et la
caractéristique la plus faible est d'environ 0,6 pm.
La lumière qui est diffractée depuis le motif de diffraction 14b présente une distribution d'intensité pour laquelle par exemple, comme représenté sur la figure 7B, une composante qui est pratiquement parallèle à la surface de la couche MQW 13 est forte et une composante qui est contenue dans une plage angulaire de pratiquement 18 par rapport à la ligne perpendiculaire à la surface est faible. Une dérive (une augmentation ou une diminution) de l'aire de
gravure par rapport à une valeur de conception du réseau pseudo-
aléatoire selon l'art antérieur comme représenté sur les figures 4A à 4C et une réponse corrélative sont tracées au moyen d'une ligne en pointillés sur la figure 16 et une dérive (une augmentation ou une diminution) de l'aire de gravure par rapport à une valeur de conception du réseau comportant les évidements elliptiques selon le mode de réalisation de la présente invention ainsi que la réponse corrélative sont tracées au moyen d'une ligne en trait plein sur la figure 16. Il est devenu évident qu'une marge de fabrication peut être augmentée selon la présente invention du fait d'une réduction de la réponse due à
la dérive par rapport à la valeur de conception.
La figure 16 représente une estimation théorique de l'effet
d'erreurs de fabrication sur l'efficacité de couplage dans le QWIP.
Dans le cas d'un réseau pseudo-aléatoire de l'art antérieur, la première gravure a été supposée avoir été réalisée sans erreur. Lors de la seconde étape, I'augmentation de l'aire de la partie gravée conduit à
une capacité de réponse plus faible.
La forme plane des évidements du réseau comportant une composante elliptique sur la figure 7A ne contient pas de composante linéaire. Comme représenté sur les figures 17A et 18A, les motifs
d'évidement contenant la composante linéaire peuvent être adoptés.
La figure 17A représente un autre exemple du motif de diffraction contenant les courbes elliptiques sur un pixel carré dont un côté présente une longueur de 28 pm. Dans ce cas, au niveau des éléments (1) à (8) mentionnés ci-avant, la longueur C vaut 3,5 pm et a2 vaut 3,0 pm, b2 = 2,6 pm, a, = 0,4 pm et b1 = 0,9 pm. Puis une forme en coupe du motif de diffraction tel que vu selon une ligne 11-Il de la
figure 17A est représentée sur la figure 17B.
La figure 18A représente encore un autre exemple du motif de diffraction contenant les courbes elliptiques sur un pixel carré dont un côté présente une longueur de 28 pm. Dans ce cas, au niveau des éléments (1) à (8) mentionnés ci-avant, la longueur C vaut 3,5 pm et a2 vaut 3,0 pm, b2 = 2,8 pm, a, = 0,5 pm et b1 = 0,7 pm. Puis une forme en coupe du motif de diffraction tel que vu selon une ligne 111-111 de la
figure 18A est représentée sur la figure 18B.
Dans le cas o le rayonnement qui présente la longueur d'onde de 8,5 pm arrive en incidence sur le photodétecteur infrarouge, le motif de diffraction représenté sur les figures 17A et 17B conduit à une efficacité de couplage plus élevée d'environ 18 % que dans le cas du motif de diffraction représenté sur les figures 18A et 18B du fait de son ellipticité. La couche de photo-absorption est constituée par la couche MQW dans le photodétecteur infrarouge mentionné ci-avant mais une telle couche de photo-absorption peut être constituée par des lignes
quantiques ou par des points quantiques.
Par ailleurs, le photodétecteur infrarouge à puits quantique mentionné ci-avant peut être utilisé par exemple dans le réseau de
plan focal infrarouge (IRFPA).
Comme décrit ci-avant, selon la présente invention, le motif de diffraction dont la forme en plan comporte des courbes (par exemple des courbes elliptiques) et dont la forme en coupe comporte l'évidement similaire à une unique marche peut être formé sur la couche de photoabsorption de la structure à puits quantique. Il
s'ensuit que la quantité de lumière absorbée dans la couche de photo-
absorption peut être augmentée et que par ailleurs, le taux de couplage optique pour le rayonnement infrarouge présentant la
longueur d'onde de 8,5 pm peut être augmenté.
Puisque les évidements constituant le motif de diffraction sont formés de façon similaire à la conformation d'une unique marche, de tels évidements peuvent être formés au moyen de l'unique étape de lithographie et les étapes de fabrication peuvent être réduites. En outre, puisque la largeur minimum du motif de diffraction est d'environ 0,6 pm, le motif peut être très précis et la fabrication du motif est plus aisée. L'effet essentiel de couplage proposé selon le schéma de la présente invention est constitué par le fait qu'il conduit à une efficacité d'absorption supérieure à celle du réseau pseudo- aléatoire utilisé selon l'art antérieur tandis que le processus de fabrication lithographique est simplifié. La fabrication est simplifiée du fait que la largeur de caractéristique la plus faible est plus importante et que le motif de diffraction a besoin de seulement une seule marche de gravure. Une largeur de caractéristique la plus faible dans le cas du réseau pseudo-aléatoire était de 0,4 pm tandis que dans le cas du
motif à gorge elliptique, elle est de 0,6 pm.
Des erreurs au niveau de la fabrication lithographique du motif de diffraction conduisent à un abaissement de l'efficacité de couplage comme représenté sur la figure 16. Cependant, les erreurs de fabrication génèrent une réduction moindre de l'efficacité de couplage dans le cas du motif de diffraction proposé selon la présente invention
que dans le cas du réseau pseudo-aléatoire de l'art antérieur.
Claims (12)
1. Photodétecteur infrarouge caractérisé en ce qu'il comprend: une couche de photo-absorption (13) formée sur un substrat (11) afin de disposer d'une structure à puits multiquantique; et un motif de diffraction (14b) formé sur la couche de photo- absorption (13) de manière à disposer d'évidements (14a) dont une forme plane de chacun contient des formes incurvées et dont une
forme en coupe de chacun comporte une forme en marche unique.
2. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des évidements (14a) comporte une forme en marche unique depuis une surface la plus supérieure du
motif de diffraction (14b).
3. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif de diffraction (14b) est recouvert d'un
film de réflexion (16).
4. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif de diffraction (14b) diffracte la lumière qui est passée depuis le côté du substrat (11) au travers de la couche de photoabsorption (13) et produit une distribution d'intensité lumineuse qui est forte selon un angle qui correspond pratiquement à une parallèle à une surface de la couche de photo-absorption (13) et qui est faible selon un angle qui est contenu dans une plage angulaire de sensiblement 18 par rapport à une ligne perpendiculaire à la
surface de la couche de photo-absorption.
5. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des formes incurvées est une partie
d'une courbe elliptique.
6. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des évidements (14a) constituant le motif de diffraction (14b) présente une profondeur non supérieure à la
moitié d'une longueur d'onde d'absorption de la couche de photo-
absorption (13).
7. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une aire du motif de diffraction o les évidements (14a) sont formés est établie de manière à être égale à une aire du
motif de diffraction o les évidements ne sont pas formés.
8. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de photo-absorption (13) présente une structure qui est constituée par n'importe quel élément pris parmi une couche de puits multiquantique, une ligne quantique et une boîte quantique.
9. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de puits multiquantique (13) est
formée par des couches semiconductrices composites.
10. Photodétecteur infrarouge selon la revendication 9, caractérisé en ce que les couches semiconductrices composites présentent une structure dans laquelle du GaAs et l'AIGaAs sont
obtenus par croissance en alternance en tant que pluralité de couches.
11. Procédé de fabrication d'un photodétecteur infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: formation d'une couche de photoabsorption (13) présentant une structure à puits multiquantique sur un substrat (11); formation d'une couche de transmission de lumière (14) sur la couche de photo-absorption (13); formation d'un masque (15) sur lequel des motifs comportant des formes incurvées sont formés, sur la couche de transmission de lumière (14); formation d'un motif de diffraction (14b) sur la couche de transmission de lumière (14) en gravant la couche de transmission de lumière dans des zones qui ne sont pas recouvertes par le masque (15); et
enlèvement du masque.
12. Procédé de fabrication d'un photodétecteur infrarouge selon la revendication 11, caractérisé en ce que le motif de diffraction
(14b) est formé par un évidement comportant une marche unique.
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