FR3018140A1 - Photodetecteur sur soi - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un photodétecteur formé dans une couche semiconductrice de type SOI, le photodétecteur comprenant une première région (21) et une deuxième région (23) d'un premier type de conductivité séparées l'une de l'autre par une région centrale (25) du deuxième type de conductivité, et une face transverse soumise à éclairement s'étendant orthogonalement à la surface supérieure de la région centrale.

Description

B13167 - 13-GR1-0916 1 PHOTODETECTEUR SUR SOI Domaine La présente demande concerne le domaine des photodétecteurs formés dans une couche semiconductrice composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs, la couche semiconductrice étant de type SOI ("Semiconductor On Insulator" - semiconducteur sur isolant). Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe transverse et en perspective représentant schématiquement une photodiode formée dans une couche semiconductrice de type SOI, la couche de SOI reposant sur une couche isolante 3 reposant elle-même sur un substrat semiconducteur 5. La photodiode comprend une région semiconductrice 9 fortement dopée de type P (P+) et une région semiconductrice 11 fortement dopée de type N (Nt) s'étendant longitudinalement de part et d'autre d'une région centrale 12 faiblement dopée de type P (P-). La figure 1 représente également une région 13 à niveau de dopage N intermédiaire s'étendant entre les régions P12 et N+ 11. Cette région 13 correspond à une zone de diffusion de la région 11 fortement dopée de type N (Nt) dans la région centrale 12 faiblement dopée de type P (P-). Des contacts B13167 - 13-GR1-0916 2 métalliques 15 et 16 reposent sur les faces supérieures respectivement, de la région 9 et de la région 11. Lorsque la photodiode est polarisée en inverse et que des rayons lumineux atteignent sa surface supérieure, des paires 5 électron-trou sont créées dans les régions 12 et 13 et un courant est généré. Pour certaines applications, notamment dans le domaine de la photonique, il est souhaitable de disposer d'un photodétecteur formé dans une couche semiconductrice de type SOI 10 à éclairage transverse. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un photodétecteur formé dans une couche semiconductrice de type SOI, le photodétecteur comprenant une première région et une 15 deuxième région d'un premier type de conductivité séparées l'une de l'autre par une région centrale du deuxième type de conductivité, et une face transverse soumise à éclairement s'étendant orthogonalement à la surface supérieure de la région centrale. 20 Selon un mode de réalisation, le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. Un autre mode de réalisation prévoit un procédé d'utilisation du photodétecteur, dans lequel un potentiel de 25 masse est appliqué à la première région et un potentiel positif est appliqué à la deuxième région, la région centrale étant laissée flottante. Selon un mode de réalisation, un contact est disposé sur la surface supérieure de la région centrale. 30 Selon un mode de réalisation, un contact est disposé à cheval sur la première région et sur la région centrale. Selon un mode de réalisation, la première région est interrompue par un prolongement de la région centrale et un contact est disposé sur la surface supérieure du prolongement.
B13167 - 13-GR1-0916 3 Selon un mode de réalisation, la première région et la deuxième région sont interrompues par des prolongements de la région centrale, et un contact est disposé sur la surface supérieure de chaque prolongement.
Un autre mode de réalisation prévoit un procédé d'utilisation du photodétecteur, dans lequel un potentiel positif est appliqué à la deuxième région et un potentiel de masse est appliqué à la première région et à la région centrale. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en 15 coupe transverse schématique d'une photodiode sur SOI ; la figure 2 est une vue en coupe transverse schématique et en perspective d'un mode de réalisation d'un phototransistor sur SOI ; la figure 3 représente, en fonction de la tension de 20 polarisation, l'évolution du courant généré dans divers types de photodétecteurs ; et les figures 4 à 7 sont des vues en coupe transverse schématiques et en perspective de variantes de réalisation d'un phototransistor sur SOI. 25 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Dans la photodiode de la figure 1, on peut choisir que 30 des rayons lumineux frappent une face transverse plutôt que la face supérieure de la couche semiconductrice de type SOI. Ces rayons lumineux peuvent être guidés jusqu'à la face transverse, par exemple, par un guide d'onde formé dans la couche semiconductrice de type SOI ou par une fibre optique. 35 L'intensité du courant généré dans la photodiode ainsi éclairée B13167 - 13-GR1-0916 4 dépend principalement des paires électron-trou créées dans la zone de charge d'espace de la jonction PN, c'est-à-dire des rayons lumineux atteignant une portion de la face transverse située de part et d'autre de la jonction PN. Ainsi, une partie seulement des rayons lumineux atteignant la face transverse soumise à éclairement participe à la génération du courant et le courant généré est faible. La figure 2 est une vue en coupe transverse et en perspective représentant schématiquement un mode de réalisation d'un phototransistor formé dans une couche semiconductrice de type SOI, la couche SOI reposant sur une couche isolante 3 reposant elle-même sur un substrat semiconducteur 5. Le phototransistor comprend deux régions semiconductrices 21 et 23 fortement dopées de type N (Nt) s'étendant longitudinalement de part et d'autre d'une région centrale 25 faiblement dopée de type P (P-). Des contacts métalliques 27 et 29 reposent sur les faces supérieures respectivement, de la région 21 et de la région 23. Les régions 21, 25 et 23 constituent respectivement l'émetteur, la base et le collecteur du phototransistor. En fonctionnement, des rayons lumineux issus d'une source 31 (guide d'onde ou fibre optique) éclairent une face transverse de la région 25 du phototransistor. Le phototransistor est polarisé par l'application, par exemple, d'un 25 potentiel de masse au contact 27 et d'un potentiel positif de par exemple 1 V au contact 29. La base est laissée flottante (c'est-à-dire n'est pas connectée). Lorsque des rayons lumineux atteignent la face transverse de la région de base 25, des paires électron-trou sont créées et un courant est généré. 30 Dans un tel phototransistor, tous les rayons lumineux atteignant la face transverse de la région de base 25 sont susceptibles de créer des paires électron-trou participant à la génération d'un courant contrairement au cas d'une photodiode du type de celle de la figure 1 où seuls les rayons lumineux 35 atteignant la zone de charge d'espace située de part et d'autre B13167 - 13-GR1-0916 de la jonction PN participent à la génération d'un courant. Ainsi, dans le cas décrit ci-dessus d'un photodétecteur à éclairage transverse formé dans une couche semiconductrice de type SOI, il y a un avantage tout particulier à utiliser un 5 phototransistor plutôt qu'une photodiode, cet avantage s'ajoutant à l'effet de gain lié à l'effet transistor. La figure 3 illustre l'évolution, en fonction de la tension de polarisation V, du courant I généré par divers photodétecteurs à éclairage transverse, le courant I étant 10 indiqué en échelle linéaire arbitraire. La courbe 33 illustre la dépendance entre le courant I généré par une photodiode du type de celle de la figure 1 et la tension de polarisation V appliquée entre les contacts 15 et 16, la photodiode étant polarisée en inverse. La courbe 35 illustre 15 le courant I généré par un phototransistor à base flottante tel que celui de la figure 2 en fonction de la tension de polarisation V appliquée entre les contacts 27 et 29. Pour des tensions de polarisation V comprises entre 0,1 et 1 V, le courant I généré dans le phototransistor (courbe 20 35) est plus élevé que le courant généré dans la photodiode (courbe 33). Les figures 4 à 7 sont des vues en coupe et en perspective représentant schématiquement des variantes du phototransistor de la figure 2 dans lesquelles de mêmes éléments 25 sont désignés par de mêmes références. Dans toutes ces variantes, il est prévu une connexion à la base 25 du phototransistor. Dans la variante de la figure 4, un contact métallique 41 est disposé sur une zone surdopée 43 de la région de base 25. 30 Le contact est sensiblement centré sur la région de base 25. Dans la variante de la figure 5, un contact métallique 51 chevauche la région d'émetteur 21 et une zone surdopée 53 de la région de base 25. Dans la variante de la figure 6, la région de base 25 35 comprend un prolongement 61 (à droite sur la figure) B13167 - 13-GR1-0916 6 interrompant la région d'émetteur 21. Un contact métallique 63 est disposé sur une zone surdopée 65 du prolongement 61 de la région 25. Un contact métallique 67 est disposé sur chacune des portions de la région d'émetteur 21.
Dans la variante de la figure 7, la région de base 25 comprend des prolongements 71 interrompant régulièrement la région d'émetteur 21 et la région de collecteur 23. Ainsi, la région d'émetteur est divisée en portions de région d'émetteur et la région de collecteur est divisée en portions de région de collecteur. Dans chaque prolongement 71 de la région de base 25 est formée une zone surdopée 73 de type P (P+) sur laquelle est disposé un contact métallique 75. Un contact métallique 79 est disposé sur chaque portion de la région d'émetteur 21 et un contact métallique 77 est disposé sur chaque portion de la région de collecteur 23. En fonctionnement, la région 25 de base de chacun des phototransistors des figures 4 à 7 peut être polarisée, par exemple mise au même potentiel que la région 21 d'émetteur, ce potentiel pouvant être le potentiel de masse.
En se référant de nouveau à la figure 3, la courbe 37 illustre la dépendance entre le courant généré dans un phototransistor du type de celui de la figure 5 et la tension V appliquée entre les contacts 51 et 29. La courbe 39 illustre ce même courant dans un phototransistor du type de celui de la figure 7, la tension V étant appliquée entre les contacts 77 et 79. Dans les phototransistors correspondant aux courbes 37 et 39, un même potentiel est appliqué à la base et à l'émetteur. Le courant I du phototransistor à base flottante de la figure 2 (courbe 35) est plus élevé que celui des phototransistors des figures 5 et 7 (courbes 37 et 39). Ainsi, un phototransistor à base à flottante peut être utilisé de préférence dans des applications où on désire un courant généré le plus élevé possible. Bien que le courant I des courbes 37 et 39 soit plus 35 faible que celui de la courbe 35, la polarisation au même B13167 - 13-GR1-0916 7 potentiel de la base et de l'émetteur des phototransistors des courbes 37 et 39 entraîne que la fréquence de coupure de ces phototransistors est plus élevée que celle d'un phototransistor à base flottante du type de celui de la figure 2. Ainsi, un phototransistor du type de ceux des figures 4 à 7 peut être utilisé de préférence dans des applications où on désire une fréquence de coupure aussi élevée que possible. En outre, le courant I de la courbe 39 est presque constant quelle que soit la tension de polarisation V alors que le courant I des courbes 35 et 37 augmente avec la tension de polarisation V. Ainsi, un phototransistor du type de celui de la figure 7, dans lequel des prises de contact vers la région de base interrompent régulièrement les régions de collecteur et d'émetteur, peut être utilisé de préférence dans des applications où on désire que le courant généré soit aussi constant que possible lors de variations de la tension de polarisation. Dans les phototransistors des figures 2 et 4 à 7, le matériau de la couche semiconductrice est choisi pour ne pas être transparent à la longueur d'onde de la lumière reçue. La couche semiconductrice peut être composée de plusieurs zones par exemple en silicium, en germanium ou en un semiconducteur du groupe III-V. A titre d'exemple, la couche semiconductrice dans laquelle est formé le phototransistor comprend une zone en germanium dans le cas où la longueur d'onde de la lumière reçue est comprise entre 0,75 et 3,00 pin, par exemple 1,40 um. La couche isolante 3 peut être en oxyde de silicium. Les contacts 27, 29, 41, 51, 63, 67, 75, 77 et 79 sont par exemple en aluminium.
Une dimension d'une région ou d'une portion sera considérée comme étant sa largeur si cette dimension est parallèle à la face transverse éclairée et à la face supérieure de la couche semiconductrice de type SOI, et comme sa longueur si cette dimension est orthogonale à la face transverse éclairée. A titre d'exemple de dimensions, la largeur de la B13167 - 13-GR1-0916 8 région 25 est comprise entre 0,3 et 0, 5 pin, par exemple 0,4 pin. La largeur des régions 21 et 23 peut être comprise entre 0,2 et 0,4 gm, par exemple 0,3 gm. La longueur des régions 21, 23 et 25 peut être comprise entre 2 et 30 gm, par exemple 15 gm. La longueur du prolongement 61 et d'un prolongement 71 peut être comprise entre 0,5 et 3 gm, par exemple 1,5 pin. L'épaisseur de la couche semiconductrice peut être comprise entre 0,2 et 0,5 gm, par exemple 0,3 pin. Dans une filière technologique optoélectronique, on 10 prévoit habituellement la formation de couches, régions ou portions de différents niveaux de dopage, les concentrations en dopage disponibles seront, par exemple : - de 1017 à 1018 at./cm3 pour la région 25 faiblement dopée de type P (P-), 15 - supérieure à 1019 at./cm3 pour les zones surdopées P+ 43, 53, 65 et 73 de prise de contact, et - supérieure à 1019 at./cm3 pour les régions 21 et 23 fortement dopées de type N (Nt). Des modes de réalisation particuliers ont été décrits.
20 Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les types de conductivité des régions d'émetteur 21, de base 25 et de collecteur 23 indiqués à titre d'exemple en relation avec les modes de réalisation ci-dessus peuvent tous être inversés, les tensions de polarisation étant 25 alors inversées. Les niveaux de dopages des régions et des zones indiqués à titre d'exemple pourront être adaptés en fonction, par exemple, des diverses filières technologiques utilisées. Les dimensions des régions, des prolongements de régions et des zones indiquées à titre d'exemple pourront être 30 adaptées en fonction par exemple, de la longueur d'onde des rayons lumineux reçus. Plus généralement, la topographie des régions, des prolongements de régions, des zones surdopées et des contacts des phototransistors décrits précédemment peut être modifiée par 35 l'homme de l'art. En particulier, l'homme de l'art pourra

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Photodétecteur formé dans une couche semiconductrice de type SOI, le photodétecteur comprenant : une première région (21) et une deuxième région (23) d'un premier type de conductivité séparées l'une de l'autre par 5 une région centrale (25) du deuxième type de conductivité, et une face transverse soumise à éclairement s'étendant orthogonalement à la surface supérieure de la région centrale.
  2. 2. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel le premier type de conductivité est le type N et le 10 deuxième type de conductivité est le type P.
  3. 3. Procédé d'utilisation du photodétecteur de la revendication 2, dans lequel un potentiel de masse est appliqué à la première région (21) et un potentiel positif est appliqué à la deuxième région (23), la région centrale (25) étant laissée 15 flottante.
  4. 4. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel un contact (41) est disposé sur la surface supérieure de la région centrale (25).
  5. 5. Photodétecteur selon la revendication 1, dans 20 lequel un contact (51) est disposé à cheval sur la première région (21) et sur la région centrale (25).
  6. 6. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel la première région (21) est interrompue par un prolongement (61) de la région centrale (25) et un contact (63) 25 est disposé sur la surface supérieure du prolongement.
  7. 7. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel la première région (21) et la deuxième région (23) sont interrompues par des prolongements (71) de la région centrale (25), et un contact (75) est disposé sur la surface supérieure 30 de chaque prolongement.
  8. 8. Photodétecteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P.B13167 - 13-GR1-0916 11
  9. 9. Procédé d'utilisation du photodétecteur de la revendication 8, dans lequel un potentiel positif est appliqué à la deuxième région (23) et un potentiel de masse est appliqué à la première région (21) et à la région centrale (25).
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