FR3069104A1 - Procede de fabrication d'un photodetecteur comportant un compose semiconducteur cristallin epitaxie a partir d'une couche de graphene - Google Patents

Procede de fabrication d'un photodetecteur comportant un compose semiconducteur cristallin epitaxie a partir d'une couche de graphene Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de fabrication d'un photodétecteur adapté à détecter un rayonnement électromagnétique d'intérêt, comportant : une couche support réalisée en un matériau électriquement isolante ; une couche de graphène reposant sur la couche support ; et au moins une portion cristalline de détection, réalisée en un composé semiconducteur cristallin apte à absorber le rayonnement électromagnétique d'intérêt. Le procédé de fabrication comporte une étape de croissance épitaxiale de la portion cristalline de détection directement à partir de la couche de graphène.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN PHOTODETECTEUR COMPORTANT UN COMPOSE SEMICONDUCTEUR CRISTALLIN EPITAXIE A PARTIR D’UNE COUCHE DE GRAPHENE
DOMAINE TECHNIQUE [001] Le domaine de l’invention est celui de la fabrication d’un photodétecteur comportant une couche de graphène, en particulier d’un photodétecteur adapté à détecter un rayonnement électromagnétique dans le visible et/ou dans l’UV.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [002] On connaît les photodétecteurs d’un rayonnement électromagnétique comportant une couche de graphène. Ils comportent habituellement une couche support en un matériau électriquement isolant, une couche en graphène qui revêt la couche support, une portion cristalline de détection adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique d’intérêt, disposée sur et au contact de la couche de graphène, ainsi que deux électrodes de contact adaptées à appliquer une différence de potentiel à la couche de graphène et à recevoir le courant de photodétection. De tels photodétecteurs tirent avantage des propriétés du graphène dont la mobilité électronique peut être au moins égale à io5 cm2.Vhs1 à température ambiante, permettant ainsi d’obtenir un gain de photodétection élevé, celui-ci étant habituellement défini comme le rapport du temps de vie des porteurs de charge photogénérés sur leur temps de transit pour atteindre l’une des électrodes.
[003] A titre d’exemple, l’article de Konstantatos et al. intitulé Hybrid graphene-quantum dot phototransistors with ultrahigh gain, Nature Nanotech., 7, 363-368 (2012), décrit un photodétecteur comportant une couche de graphène revêtue d’une couche de détection formée d’un empilement de plusieurs films à boîtes quantiques colloïdales de PbS. Des électrodes source et drain sont électriquement connectées à la couche de graphène. Une électrode de grille est disposée sous la couche de graphène et électriquement isolée de cette dernière, permettant d’ajuster le point de fonctionnement du photodétecteur.
[004] Le procédé de fabrication de ce photodétecteur comporte la formation de la couche de détection par dépôt à la toumette (spin casting, en anglais) de plusieurs films les uns sur les autres, chaque film contenant des boîtes quantiques colloïdales, pour obtenir une couche de détection d’une épaisseur de l’ordre de 80 nm. Ainsi, les boîtes quantiques, formées de nanocristaux de PbS revêtus de ligands organiques, sont déposés sur la surface du graphène. Dans le but d’améliorer la conductivité électronique de la couche de détection, l’étape de formation de la couche de détection prévoit le remplacement des ligands oléates initiaux de longue dimension par des ligands bidentés de plus petite dimension.
[005] Il existe cependant un besoin de disposer d’un photodétecteur à couche de graphène qui présente des performances optiques et/ou électroniques améliorées.
EXPOSÉ DE L’INVENTION [006] L’invention a pour objectif de résoudre au moins en partie les inconvénients de l’art antérieur, et ainsi de proposer un procédé de fabrication d’un photodétecteur à couche de graphène dont les performances optiques et/ou électroniques sont améliorées.
[007] Pour cela, l’objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un photodétecteur adapté à détecter un rayonnement électromagnétique d’intérêt, comportant : une couche support réalisée en un matériau électriquement isolante ; une couche de graphène reposant sur la couche support ; et au moins une portion cristalline de détection, réalisée en un composé semiconducteur cristallin apte à absorber le rayonnement électromagnétique d’intérêt. Selon l’invention, le procédé de fabrication comporte une étape de croissance épitaxiale de la portion cristalline de détection directement à partir de la couche de graphène.
[008] Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants.
[009] Le composé semiconducteur cristallin peut être un composé III-V, un composé IIVI, ou un composé IV.
[0010] Le composé semiconducteur cristallin peut être épitaxié par une technique de dépôt chimique ou physique en phase vapeur.
[0011] A la suite de l’étape de croissance épitaxiale, ladite au moins une portion cristalline de détection peut former une unique couche cristalline continue qui revêt au moins en partie la couche de graphène.
[0012] A la suite de l’étape de croissance épitaxiale, ladite au moins une portion cristalline de détection peut former une pluralité de plots cristallins distincts les uns des autres qui revêtent partiellement la couche de graphène.
[0013] Le composé semiconducteur cristallin étant un composé III-N, le procédé peut comporter la mise en œuvre, préalablement à une phase de nucléation du composé III-N lors de l’étape de croissance épitaxiale, d’une étape de traitement thermique de la couche de graphène dans laquelle celle-ci est soumise à une première température supérieure ou égale à 1O5O°C et à un flux d’ammoniac.
[0014] La phase de nucléation de ladite portion cristalline de détection peut être réalisée à une deuxième température inférieure à 1O5O°C.
[0015] Le procédé peut comporter, à la suite de la phase de nucléation, une phase de croissance de ladite portion cristalline de détection réalisée à une troisième température supérieure à la deuxième température et inférieure à 1O5O°C.
[0016] L’ammoniac peut être un précurseur de l’azote du composé III-N lors de phases de nucléation et de croissance du composé III-N de ladite portion cristalline de détection.
[0017] Le composé semiconducteur cristallin peut être un composé III-N choisi parmi le GaN, l’AlGaN, l’InGaN, et l’AUnGaN.
[0018] La couche de graphène peut être constituée d’une seule feuille de graphène.
[0019] Le composé semiconducteur cristallin peut être un composé III-N en un alliage à base de GaN ou d’AlGaN adapté à absorber un rayonnement électromagnétique d’intérêt présentant un pic d’intensité à une longueur d’onde comprise entre îoonm et 4oonm.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0020] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les figures 1A et 1B sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe transversale et de dessus, d’un photodétecteur selon un mode de réalisation ;
Les figures 2A et 2B illustrent l’évolution temporelle du courant électrique Ids d’un photodétecteur selon un mode de réalisation (fig.2A) et d’un photodétecteur ne comportant pas de portion cristalline de détection (fig.2B) ;
Les figures 3A et 3B sont des vues schématiques et partielles, en coupe transversale, de variantes du photodétecteur illustré sur la fig.iA ;
La figure 4 illustre un exemple d’évolution de la température pour différentes étapes du procédé de fabrication d’un photodétecteur comportant au moins une portion cristalline de détection en un composé III-N selon un mode de réalisation ;
Les figures 5A, 5B, 5C illustrent respectivement des spectres de diffraction des rayons X, des spectres de photoluminescence, et des spectres Raman pour une couche cristalline de détection en GaN obtenue par le procédé de fabrication du photodétecteur selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique préalable, et pour différentes couches de GaN de référence ;
Les figures 6A et 6B illustrent respectivement une vue au microscope électronique à balayage (fig.6A) de plots cristallins de détection obtenus au cours d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique préalable, et une transformée de Fourier (fig.6B) effectuée à partir de la vue illustrée sur la fig.6A ;
Les figures 7A et 7B illustrent respectivement une vue au microscope électronique à balayage (fig.7A) de plots cristallins obtenus au cours d’un procédé de fabrication du photodétecteur ne comportant pas d’étape de traitement thermique préalablement à la phase de nucléation, et une transformée de Fourier (fig.7B) effectuée à partir de la vue illustrée sur la fig.7A ;
Les figures 8A et 8B illustrent respectivement une vue au microscope électronique à balayage (fig.8A) de plots cristallins obtenus au cours d’un procédé de fabrication du photodétecteur comportant une étape de recuit thermique de la couche de graphène sans soumission de cette dernière à un flux d’ammoniac, et une transformée de Fourier (fig.8B) effectuée à partir de la vue illustrée sur la fig.8A ;
La figure 9 illustre des spectres Raman pour une couche de graphène obtenue sur une couche support, pour la même couche de graphène après une étape de recuit et enfin pour la même couche de graphène après les étapes de recuit et de traitement thermique.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0021] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près. Par ailleurs, l’expression « comportant un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf indication contraire.
[0022] Les figures 1A et 1B sont des vues en coupe (fig.iA) et de dessus (fig.iB) illustrant de manière schématique et partielle un photodétecteur 1 selon un mode de réalisation. Dans cet exemple, le photodétecteur 1 est adapté à absorber un rayonnement électromagnétique dans l’ultraviolet (UV). Le rayonnement UV est défini par son spectre qui présente au moins un pic d’intensité à une longueur d’onde comprise entre îonm et 4oonm environ, et en particulier entre îoonm et 4oonm (selon la classification A, B et C de l’UV).
[0023] On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal (Χ,Υ,Ζ), où les axes X et Y forment un plan parallèle au plan principal de la couche support 2, et où l’axe Z est orienté suivant une direction orthogonale au plan XY. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne de la couche support 2 suivant la direction +Z. [0024] Le photodétecteur 1 comporte :
une couche support 2, réalisée en un matériau électriquement isolant ;
une couche de graphène 3, disposée sur la couche support 2 ;
au moins une portion cristalline de détection 4 épitaxiée directement à partir de la couche de graphène 3, formant dans l’exemple des fig.iA et 1B une pluralité de plots cristallins de détection 4 distincts les uns des autres ;
au moins deux électrodes de contact, dites source 5s et drain sd, disposées au contact de la couche de graphène 3.
[0025] La couche support 2 est réalisée en un matériau électriquement isolant, par exemple choisi parmi le saphir (A12O3), le borosilicate, la silice, le verre, le quartz, un oxyde ou un nitrure par exemple de silicium, entre autres. Elle peut être une couche épaisse en un même matériau, par exemple être un substrat massif (bulk substrate, en anglais) en saphir ou en carbure de silicium, ou autre. Elle peut en variante être une couche supérieure d’un empilement de couches de matériaux distincts tels qu’un substrat de type SOI (Silicon On Insulator, en anglais), par exemple une couche d’un oxyde de silicium SiO2 reposant sur une couche épaisse de silicium.
[0026] La couche de graphène 3 forme un canal de transport entre les électrodes de contact 5s, sd pour les porteurs de charge photogénérés dans la ou des portions cristallines de détection 4. Elle repose sur la couche support 2 et revêt la surface de la face supérieure de cette dernière. Elle forme en outre une couche de nucléation ou de germination à partir de laquelle la ou les portions cristallines de détection 4 sont directement épitaxiées. Le graphène est un matériau cristallin bidimensionnel formé d'une unique feuille d'atomes de carbone disposés en hexagone pour former une structure plane d'épaisseur monoatomique. Une feuille correspond ici à une couche monoatomique. Il est dit bidimensionnel dans la mesure où il est formé d’une ou plusieurs feuilles d’atomes de carbone agencés de manière à former un réseau cristallin bidimensionnel hexagonal. La couche de graphène 3 comporte ici avantageusement une unique feuille de graphène, mais peut être formée de quelques feuilles de graphène empilées les unes sur les autres. Lorsqu’elle est formée d’une unique feuille d’atomes de carbone, elle est alors dite constituée de graphène. Lorsqu’elle est formée d’un empilement de plusieurs feuilles d’atomes de carbone, elle est alors dite constituée de graphite. Ainsi, la couche de graphène 3 présente une épaisseur de préférence comprise entre o,3nm et i,8nm.
[0027] La ou les portions cristallines de détection 4 sont réalisées en un matériau semiconducteur cristallin apte à absorber au moins en partie le rayonnement électromagnétique d’intérêt et à générer en réponse des paires électron-trou. Le matériau de détection est directement épitaxié à partir de la couche de graphène 3, c’est-à-dire qu’il est formé par une technique d’épitaxie par dépôt chimique ou physique en phase vapeur, à partir de la couche de graphène 3, sans présence d’un matériau intercalaire situé entre la couche de graphène 3 et le matériau de détection.
[0028] L’épitaxie du matériau cristallin de détection à partir d’une couche de graphène 3 est une technique d’hétéroépitaxie par laquelle le matériau cristallin est lié à une couche formée d’une ou plusieurs feuilles d’un matériau bidimensionnel par des liaisons de type van der Waals et non pas par des liaisons covalentes. Elle est habituellement appelée épitaxié van der Waals. Le matériau bidimensionnel est, dans le cadre de l’invention, une couche de graphène 3 dans la mesure où le graphène présente une mobilité électronique importante. L’épitaxie van der Waals permet notamment de s’affranchir du désaccord de maille pouvant exister entre le matériau bidimensionnel et le matériau épitaxié, ce désaccord de maille étant issu de la différence entre les paramètres de maille des deux matériaux, ce qui permet ainsi d’obtenir un matériau épitaxié dont le réseau cristallin est relaxé ou quasi-relaxé. Un tel matériau cristallin obtenu par épitaxié van der Waals présente alors une densité réduite de défauts structuraux tels que des dislocations de désaccord de maille, optimisant ainsi les propriétés optiques et/ou électroniques du photodétecteur 1 comportant un tel matériau épitaxié.
[0029] Le matériau semiconducteur cristallin de la ou des portions cristallines de détection 4 peut être choisi parmi les composés III-V, et de préférence les composés III-N, les composés II-VI, et les composés IV. Les composés III-V sont des alliages comportant des éléments des colonnes III et V de la classification périodique, par exemple le GaAs, l’InP, le GaN et les alliages à base de GaN, par exemple l’AlGaN, l’InGaN et l’AUnGaN, 1Ά1Ν, entre autres. Les composés II-VI peuvent être le CdTe, le HgTe, le CdHgTe, entre autres. Les composés IV peuvent être le silicium, le germanium, l’étain dans sa phase semiconductrice, et les alliages formés de ces éléments, par exemple le SiGe, le GeSn, le SiGeSn. Il est de préférence monocristallin.
[0030] Le photodétecteur 1 peut comporter une portion cristalline de détection 4 sous la forme d’une couche qui s’étend continûment dans une zone de détection délimitée, suivant une direction, par les électrodes source 5s et drain sd. En variante, il peut comporter un ou plusieurs plots cristallins de détection 4 distincts les uns des autres distribués spatialement dans la zone de détection. Dans cet exemple, comme illustré sur les fig.iA et 1B, le photodétecteur 1 comporte une pluralité de plots cristallins de détection 4 distincts réalisés en un même matériau monocristallin.
[0031] Lorsque la portion cristalline de détection 4 est une couche continue, elle peut présenter une épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques dizaines de microns, voire davantage, par exemple une épaisseur comprise entre îoonm et îopm. Lorsqu’elle est formée de plots cristallins de détection 4 distincts les uns des autres, ceux-ci peuvent présenter une dimension caractéristique de l’ordre de quelques nanomètres à quelques dizaines de microns. Ainsi, les plots cristallins de détection 4 peuvent former des boîtes quantiques lorsque leurs dimensions caractéristiques, par exemple la plus petite dimension des plots cristallins, sont comprises entre o,2nm et sonm environ, de préférence entre mm et 3onm. Une boîte quantique est ici un nanocristal semiconducteur dont le confinement quantique est tridimensionnel.
[0032] Comme l’illustrent les figures 1A et 1B, les plots cristallins de détection 4, lorsqu’ils sont réalisés en un composé III-N, peuvent présenter une forme sensiblement pyramidale ou tronconique à faces inclinées, plus précisément à faces semi-polaires sensiblement planes, ces dernières reliant une base hexagonale au sommet du plot cristallin. Cela correspond à la phase wurtzite (hexagonale) de la structure cristalline dans laquelle les composés III-N sont le plus stables thermodynamiquement.
[0033] Au moins deux électrodes de contact, dites source 5s et drain sd, sont formées sur et en contact électrique avec la couche de graphène 3. Elles sont disposées de part et d’autre d’une zone dite de détection dans laquelle sont situées la ou les portions cristallines de détection 4. Elles sont connectées à un circuit électrique externe (non représenté) et permettent d’appliquer une différence de potentiel électrique à la couche de graphène 3. Les électrodes source 5s et drain sd sont ici des plots en un matériau électriquement conducteur, par exemple en un ou plusieurs matériaux choisis parmi le chrome, le titane, l’or, entre autres. Les électrodes de contact 5s, sd peuvent être obtenues par les techniques classiques de dépôt, lithographie et lift-off.
[0034] Ainsi, le photodétecteur 1 présente des performances optiques et/ou électroniques améliorées vis-à-vis de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment dans lequel les boîtes quantiques sont colloïdales, par le fait que la ou les portions cristallines de détection 4 sont épitaxiées directement à partir de la couche de graphène 3.
[0035] En effet, dans l’exemple de l’art antérieur, les boîtes quantiques colloïdales sont électriquement reliées à la couche de graphène 3 par l’intermédiaire de ligands organiques qui entourent les nanocristaux semiconducteurs de PbS, ces ligands assurant la stabilité colloïdale. La mobilité des porteurs de charge est alors diminuée par le fait que le transport de porteurs de charge a lieu par saut au travers des barrières tunnel que forment les ligands.
De plus, ce mécanisme de transport est sensible aux pièges de surface qui sont susceptibles de limiter le nombre de porteurs de charge collectés par la couche de graphène 3.
[0036] Dans le photodétecteur 1 selon l’invention, au contraire, la ou les portions cristallines de détection 4 ne comportent pas de ligands organiques, et l’interface entre le matériau de détection et la couche de graphène 3 ne comporte pas non plus de ligands organiques, mais est formée par le contact de ces matériaux liés l’un à l’autre par des liaisons faibles de type van der Waals. La mobilité des porteurs de charge au sein de la ou des portions cristallines de détection 4 est ainsi importante et les risques de piégeage de surface sont réduits. Le photodétecteur 1 présente alors un bon taux de collection par la couche de graphène 3 des porteurs de charge photogénérés dans la ou les portions cristallines de détection 4, dans la mesure où le couplage électronique entre la ou les portions cristallines de détection 4 et la couche de graphène 3 ne requière pas de sauts tunnel des porteurs au travers des ligands.
[0037] Par ailleurs, le matériau cristallin de détection, dans la mesure où il est obtenu par épitaxie van der Waals, peut présenter une épaisseur importante, de l’ordre de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs microns, voire davantage, tout en ayant une densité réduite de défauts structuraux tels que des dislocations de désaccord de maille, améliorant ainsi le rendement quantique interne du matériau de détection ainsi que le taux d’absorption du photodétecteur 1, contribuant à optimiser les performances optiques et/ou électroniques du photodétecteur 1 par rapport à l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment.
[0038] Le procédé de fabrication du photodétecteur 1 comporte une étape de formation de la ou des portions cristallines de détection 4 par épitaxie chimique ou physique en phase vapeur, et ne requiert donc pas l’utilisation de technique de dépôt de couche en phase liquide, ce qui simplifie le procédé de fabrication.
[0039] La figure 2A illustre un exemple d’évolution du signal de photodétection Ids en fonction du temps, pour un photodétecteur 1 selon le mode de réalisation illustré sur la fig.iA.
[0040] Dans cet exemple, le photodétecteur 1 comporte une couche support 2 formée d’un substrat massif isolant en saphir (A12O3). La couche de graphène 3 est formée d’un monofeuillet d’atomes de carbone obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à partir d’une couche de métal puis transféré par voie humide sur la couche support 2. Les deux électrodes de contact 5s, sd sont formées sur la couche de graphène 3 par dépôt physique en phase vapeur (PVD) d’un empilement Ni/Au au-travers d’un masque solide. Les portions cristallines de détection 4 sont ici des plots cristallins distincts de nitrure de gallium GaN obtenus par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) directement sur la couche de graphène 3. Les précurseurs sont du triméthylgallium (TMGa) pour le gallium et de l’ammoniac (NH3) pour l’azote, avec un rapport des flux NH3/TMGa de l’ordre de 1330. La température de croissance est de 94O°C environ et la pression de ôoombar. Le gaz porteur est de l’azote. La durée de croissance est ici de 450s, ce qui permet d’obtenir des plots cristallins de détection 4 en GaN de dimensions verticales suivant l’axe Z et transversales dans le plan XY de l’ordre du micron.
[0041] Sous illumination d’un rayonnement d’intérêt UV dont le pic d’intensité est situé à une longueur d’onde comprise ici entre 32onm et 39onm, et pour une différence de potentiel Vds de soomV appliquée entre la source 5s et le drain sd, le photodétecteur 1 présente une variation temporelle du courant Ids en réponse à la photodétection. Comme le montre la fig.2A, en l’absence du rayonnement électromagnétique d’intérêt, ou sous illumination du photodétecteur 1 par une lumière autre que le rayonnement d’intérêt, par exemple une lumière blanche ne comportant sensiblement pas de composantes dans l’UV, le courant Ids présente (courbe L) une valeur non nulle sensiblement constante de i2,spA environ, correspondant essentiellement au courant d’obscurité. Lorsque le photodétecteur 1 est soumis au rayonnement d’intérêt UV (courbe C), le courant Ids présente (courbe I2) une augmentation jusqu’à une valeur ici de ΐ4,ΐμΑ environ, traduisant la formation des paires électron-trou dans les plots cristallins de détection, le transfert des porteurs de charge dans le canal de graphène, et le transport de ces derniers jusqu’à l’une ou l’autre des électrodes source 5s et drain sd.
[0042] La figure 2B illustre un exemple d’évolution du signal de photodétection Ids en fonction du temps, pour un photodétecteur 1 similaire à celui décrit en référence à la fig.2A, mais sans portions cristallines de détection 4. Il en ressort qu’avec ou sans illumination du photodétecteur 1 par le rayonnement UV (courbe C), le courant Ids présente (courbe I3) une valeur non nulle sensiblement constante, au bruit près, de 8,8μΑ environ, correspondant essentiellement au courant d’obscurité.
[0043] Ainsi, un photodétecteur 1 selon l’invention, comportant une ou plusieurs portions cristallines de détection 4 directement épitaxiées sur une couche de graphène 3, permet de détecter le rayonnement d’intérêt, en particulier un rayonnement UV, avec des performances optiques et/ou électroniques améliorées.
[0044] La figure 3A est une vue en coupe, schématique et partielle, d’une variante du photodétecteur 1 représenté sur la fig.iA, dans laquelle le photodétecteur 1 présente une structure de phototransistor à effet de champ. Le photodétecteur i se distingue de celui illustré sur la fig.iA notamment en ce qu’il comporte une électrode de grille 6, disposée en regard des plots cristallins de détection 4, ici au contact de la face inférieure de la couche support 2. La tension de grille Vgs, ici appliquée entre la grille 6 et la source 5s, permet de déplacer le niveau de Fermi de la couche de graphène 3, et ainsi de modifier la valeur de la conductivité électronique de cette dernière. En effet, la conductance de la couche de graphène 3 présente un minimum au point de Dirac, c’est-à-dire lorsque le niveau de Fermi est au milieu de la structure de bande. Il est alors possible d’ajuster le point de fonctionnement du photodétecteur 1 en modifiant la valeur de la tension de grille Vgs. A titre d’exemple, l’électrode de grille 6 peut être une couche de silicium de préférence dopé, séparée de la couche de graphène 3 par la couche support 2 en oxyde de silicium.
[0045] La figure 3B est une vue en coupe, schématique et partielle, d’une variante du photodétecteur 1 représenté sur la fig.3A, dans laquelle le photodétecteur 1 à illumination en face arrière comporte un empilement de photodétecteurs élémentaires 1.1,1.2,1.3. Dans cet exemple, trois photodétecteurs élémentaires 1.1, 1.2, 1.3 sont empilés les uns sur les autres à partir de la couche support 2.1 du photodétecteur inférieur 1.1.
[0046] Ainsi, dans cet exemple, le photodétecteur élémentaire inférieur 1.1 comporte une couche support 2.1 formée ici d’un substrat massif en un matériau électriquement isolant et au moins partiellement transparent au rayonnement d’intérêt, une couche de graphène 3.1 et au moins une portion cristalline de détection 4.1, ici des plots cristallins de détection de GaN. Une couche plane d’encapsulation 7.1 réalisée en un matériau électriquement isolant et au moins partiellement transparent au rayonnement d’intérêt, par exemple un oxyde de silicium d’une épaisseur de soonm environ, recouvre la couche de graphène 3.1 ainsi que les plots cristallins de détection 4.1. Dans cet exemple, la dimension verticale des plots cristallins de détection 4.1 est inférieure à soonm pour être entièrement recouverts par la couche d’encapsulation 7.1. Sur la face supérieure de cette couche d’encapsulation 7.1, une électrode de grille 6.1, réalisée en un matériau électriquement conducteur et au moins partiellement transparent au rayonnement d’intérêt, par exemple de l’oxyde d’indium-étain (ITO) d’une épaisseur de îoonm environ, s’étend en regard des plots cristallins 4.1 de détection.
[0047] Les photodétecteurs élémentaires 1.2, 1.3 qui reposent sur le photodétecteur inférieur 1.1 comportent une structure similaire à ce dernier, si ce n’est que leur couche support 2.2, 2.3 est une couche plane formée d’un matériau électriquement isolant et au moins partiellement transparent au rayonnement d’intérêt qui recouvre l’électrode de grille et la couche d’encapsulation du photodétecteur sous-jacent. A titre d’exemple, il peut s’agir d’un oxyde de silicium d’une épaisseur de soonm environ.
[0048] Le photodétecteur i comporte une pluralité de vias conducteurs 8.1, 8.2, 8.3 permettant la polarisation électrique des différentes électrodes de contact et des électrodes de grille. Les vias conducteurs 8.1, 8.2, 8.3 sont des orifices qui traversent les couches d’encapsulation 7.1, 7.2, 7.3 et les couches support 2.2, 2.3, et débouchent tous sur la face supérieure du photodétecteur 1. Un circuit électrique externe (non représenté) permet d’appliquer les différents potentiels électriques et de lire les courants de photodétection.
[0049] La ou les portions cristallines de détection 4.1, 4.2, 4.3 des différents photodétecteurs élémentaires 1.1,1.2,1.3 peuvent être réalisées en un matériau identique ou non. Ainsi, le matériau de détection peut être identique pour tous les photodétecteurs élémentaires 1.1,1.2,1.3 ou être différent. Dans ce cas, les matériaux de détection peuvent être choisis de telle sorte que leurs énergies de bandes interdites augmentent à mesure que le rayonnement d’intérêt est transmis d’un photodétecteur élémentaire à l’autre. A titre illustratif, le matériau du photodétecteur élémentaire inférieur 1.1 peut être du GaN, celui du photodétecteur élémentaire adjacent 1.2 être de l’AlXiGai-XiN, et celui photodétecteur élémentaire supérieur 1.3 être de l’AlxaGai-^N, avec les proportions atomiques d’aluminium x2>xi, par exemple xi=io% et x2=20% environ.
[0050] Un exemple du procédé de fabrication du photodétecteur 1 selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1A est décrit en référence à la figure 4 qui illustre un exemple d’évolution de la température pour différentes étapes du procédé de fabrication. Dans cet exemple, le matériau de détection est un composé III-N.
[0051] La température considérée sur la fig. 4 correspond à la température de la couche support 2 au niveau de sa face supérieure sur laquelle repose la couche de graphène 3. Elle correspond également à la température de la couche de graphène 3 du fait de la très faible épaisseur de cette dernière. La température est habituellement mesurée, directement ou indirectement, par le biais d’un thermocouple et/ou d’un pyromètre laser infrarouge.
[0052] Lors d’une première étape, on fournit tout d’abord une couche support 2 dans le but de former ensuite la couche de graphène 3. La couche support 2 peut être formée d’un empilement de couches de matériaux distincts tels qu’un substrat de type SOI (pour Silicon On Insulator, en anglais), ou, comme dans un exemple préféré, être formée d’une couche épaisse en un même matériau, ici un substrat massif (bulk substrate, en anglais) de saphir. Le choix du matériau de la couche support 2 dépend notamment de la technique choisie pour la réalisation de la couche de graphène 3. A ce titre, l’article d’Avouris et Dimitrakopoulos intitulé Graphene : synthesis and applications, Materialstoday, 03/2012, Vol. 15, n°3, détaille deux techniques classiques permettant de réaliser la couche de graphène 3, à savoir la graphitisation d’un substrat de SiC à réseau cristallin hexagonal par recuit à haute température sous vide, et la croissance par dépôt chimique en phase valeur (CVD) à partir d’une surface d’un métal sous un flux gazeux comportant du carbone. Dans le deuxième cas, la couche de graphène 3 obtenue sur un substrat de croissance peut être reportée sur la couche support 2.
[0053] Lors d’une étape suivante, on forme une couche de graphène 3 sur la couche support
2. Comme mentionné précédemment, elle peut être formée par graphitisation sur la couche support 2 en SiC, ou être formée par dépôt sur un substrat de croissance puis reportée sur la couche support 2. A titre illustratif, dans cet exemple préféré, la couche de graphène 3 est réalisée par dépôt chimique en phase valeur (CVD) à partir d’une surface de cuivre sous un flux gazeux comportant du carbone, puis transférée sur une surface de la couche support 2. [0054] Lors d’une étape facultative, on effectue un recuit en portant la couche de graphène 3 à une température de l’ordre de quelques centaines de degrés Celsius, par exemple à 8oo°C, pendant une durée de l’ordre de quelques minutes. Lors de cette étape, la couche de graphène 3 n’est soumise à aucun flux d’ammoniac et de précurseur de l’élément III du composé III-N de la ou des portions cristallines de détection 4. Elle peut être soumise à un environnement d’azote (N2) ou d’hydrogène (H2). Cette étape assure un traitement de surface de la couche de graphène 3 en vue de supprimer les impuretés éventuellement présentes, notamment les adsorbats.
[0055] Lors d’une étape suivante facultative, mais avantageuse, on effectue un traitement thermique, préalablement à l’étape de croissance épitaxiale de la ou des portions cristallines de détection 4. Pour cela, on porte la couche de graphène 3 à une température Ttt supérieure ou égale à une valeur seuil Tth égale à 1O5O°C sous un flux d’ammoniac NH3. Le flux d’ammoniac peut être compris entre 1000 et 1500 sccm (standard centimètre cube par minute), par exemple égal à 7300 sccm. La durée du traitement thermique peut être de quelques minutes, par exemple de l’ordre de 4 ou 5 min. La pression peut être de quelques centaines de millibars, par exemple de l’ordre de 600 à 800 mbar. Le gaz porteur peut être de l’azote (N2) ou de l’hydrogène (H2). Lors de cette étape, la température de traitement thermique Ttt reste cependant inférieure à la température de fusion de la couche de graphène 3 et à celle de la couche support 2.
[0056] La température seuil T* peut être supérieure, ou inférieure ou égale, à une valeur maximale Tnmax de nucléation du matériau cristallin de la ou des portions cristallines de détection 4. Dans le cas où la température seuil Tth est supérieure à la température maximale Tnmax de nucléation, il est indifférent que la couche de graphène 3 soit également soumise à un flux du précurseur de l’élément III, par exemple à un flux de triméthylgallium TMGa ou de triéthylgallium TEGa dans le cas où l’élément III est du gallium. En effet, au-delà de la température maximale Tnmax de nucléation, le composé III-N ne peut nucléer à partir de la couche de graphène 3, puisque, par définition, à partir de la température maximale de nucléation, la probabilité de désorption des atomes III est supérieure à leur probabilité d’adsorption sur la couche de graphène 3. En revanche, dans le cas où la température seuil Tth est inférieure ou égale à la température maximale Tnmax de nucléation, la couche de graphène 3 n’est pas soumise à un flux du précurseur de l’élément III lors de cette étape de traitement thermique, pour ainsi éviter la nucléation du composé III-N.
[0057] A titre illustratif, dans l’exemple préféré, la couche de graphène 3 peut être soumise à une température de traitement thermique Ttt de 1O75°C pendant 5 min, sous une pression de 600 mbar, sous un flux d’ammoniac de 7300 sccm. Dans ces conditions, il apparaît que la température de traitement thermique Ttt est supérieure à la température maximale Tnmax de nucléation du composé III-N, celui-ci étant dans cet exemple du nitrure de gallium GaN. Aussi, il est possible de soumettre également la couche de graphène 2 à un flux de précurseur de gallium, par exemple de TMGa. Le rapport du flux de NH3 sur le flux de TMGa peut être ici égal à 1340. Quoi qu’il en soit, dans la mesure où la température de traitement thermique Ttt est ici supérieure à la température maximale Tnmax de nucléation, il n’y a pas nucléation de nitrure de gallium à partir de la couche de graphène 3. A titre illustratif, comme le montre l’article de Femandez-Garrido et al. intitulé A growth diagram for plasma-assisted molecular beam epitaxy ofGaN nanocolumns on Si(ni), J. Appl. Phys., 106,126102 (2009), il apparaît qu’au-delà d’une température de 84O°C environ dans le cas d’une épitaxie par jets moléculaires assistée plasma (PA-MBE), le GaN ne peut sensiblement pas nucléer.
[0058] Lors d’une étape suivante, on effectue la croissance d’au moins une portion cristalline de détection 4, ici de plots cristallins distincts réalisés en le composé III-N, par épitaxie van der Waals à partir de la couche de graphène 3. Elle peut comporter une phase de nucléation pour obtenir les plots cristallins 4, éventuellement suivie d’une phase de croissance proprement dite pour obtenir une couche continue de détection par coalescence des plots cristallins. Ces deux phases de nucléation et de croissance se distinguent l’une de l’autre essentiellement par les conditions de croissance et en particulier par la valeur de la température de croissance. En variante, l’étape de croissance peut ne pas comporter des phases distinctes de nucléation et de croissance.
[0059] La croissance peut être réalisée par des techniques d’épitaxie classiques telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour Chemical Vapor Déposition, en anglais) par exemple aux organométalliques (MOCVD, pour Metal-Organic Chemical Vapor Déposition), l’épitaxie par jets moléculaires (MBE, pour Molecular Beam Epitaxy), l’épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE, pour Hybrid Vapor Phase Epitaxy), l’épitaxie par couche atomique (ALE, pour Atomic Loyer Epitaxy), le dépôt par couche atomique (ALD, pour Atomic Loyer Déposition), voire par évaporation ou pulvérisation cathodique (sputtering, en anglais). A titre illustratif, dans cet exemple préféré, le procédé de croissance est un dépôt chimique MOCVD de nitrure de gallium GaN pour former des plots distincts de détection 4 sur la couche de graphène 3, celle-ci reposant sur la couche support 2 en saphir.
[0060] Lors d’une première phase, on effectue la nucléation du composé ΠΙ-N à partir de la couche de graphène 3 par croissance épitaxiale MOCVD. La température est alors abaissée à une valeur Tn inférieure à la température maximale de nucléation Tnmax. Selon un mode de réalisation, la température Tn est également inférieure à la température seuil T* de 1O5O°C. Le composé III-N nuclée alors directement sur la couche de graphène 3 et est liée à celle-ci par des liaisons faibles de type van der Waals et non pas par des liaisons covalentes. Le composé III-N peut ainsi former des plots cristallins de détection 4, distincts les uns des autres, en contact ou non deux à deux, distribués spatialement sur la surface de la couche de graphène 3 de manière aléatoire (cf. fig.6A à titre d’exemple). Les plots cristallins de détection 4 du composé III-N sont directement au contact de la couche de graphène 3, au sens où il n’y a pas de matériau intercalaire situé entre le composé III-N de détection et la couche de graphène 3. A titre illustratif, dans un exemple préféré, la température de nucléation Tn est ici égale à 95O°C. Le rapport NH3/TMGa du flux d’ammoniac sur le flux de précurseur de gallium est égal ici à 1330 et la pression est égale à 600 mbar. La durée de cette phase peut être de quelques minutes, par exemple 5min. On obtient ainsi une pluralité de plots cristallins de détection 4 en GaN (cf. fig.6A) par croissance van der Waals directement à partir de la couche de graphène 3.
[0061] Lors d’une deuxième phase facultative, on peut poursuivre la croissance des plots cristallins réalisés ici en GaN, dans le but d’obtenir une couche s’étendant de manière sensiblement continue sur la couche de graphène 3, présentant une épaisseur finale sensiblement constante. Pour cela, la température est augmentée à une valeur dite de croissance Te, supérieure à la valeur de nucléation Tn, de manière notamment à augmenter la vitesse de croissance dans le plan XY par rapport à la vitesse de croissance suivant l’axe Z. Selon un mode de réalisation, la température de croissance Te est également inférieure à la température seuil Tth de 1O5O°C. Le rapport N/III du flux du précurseur d’azote sur le flux du précurseur d’élément III, ainsi que la pression, peuvent rester inchangés. La durée de cette phase peut être de quelques minutes à quelques dizaines de minutes, voire davantage, en fonction de l’épaisseur finale désirée de la couche cristalline de détection. L’épaisseur finale peut être comprise entre quelques centaines de nanomètres à quelques microns, voire quelques dizaines ou centaines de microns. A titre illustratif, dans un exemple préféré, la température de croissance Te est ici égale à 1O3O°C. Le rapport NH3/TMGa du flux d’ammoniac sur le flux de précurseur de gallium est égal ici à 1180 et la pression est égale à 300 mbar. La durée de cette phase peut être égale à 2h. On obtient ainsi une couche cristalline de détection en GaN d’une épaisseur sensiblement égale à quelques microns.
[0062] Ainsi, dans la mesure où la ou les portions cristallines de détection 4 est obtenue par épitaxie van der Waals à partir de la couche de graphène 3, le matériau cristallin de détection présente un réseau cristallin qui n’est pas contraint mécaniquement par celui de la couche de graphène 3, ni par celui de la couche support 2. Ainsi, le paramètre de maille effectif du matériau de détection est sensiblement égal à sa valeur à l’état naturel. Cela se traduit alors par une bonne relaxation des contraintes mécaniques dans le matériau de détection suivant toute son épaisseur, conduisant ainsi à une faible densité de défauts structuraux tels que les dislocations de désaccord de maille issues d’une éventuelle relaxation plastique des contraintes.
[0063] Ainsi, le désaccord de maille entre le matériau cristallin de la ou des portions cristallines de détection 4 et la couche de graphène 3 n’entraîne sensiblement pas de contraintes mécaniques dans la ou des portions cristallines de détection. Il est alors possible de réaliser une ou des portions cristallines de détection 4 dont l’épaisseur n’est alors plus limitée par l’épaisseur critique à partir de laquelle une relaxation plastique des contraintes mécaniques apparaît habituellement, améliorant ainsi le rendement quantique interne du matériau de détection. Par ailleurs, dans le cas où celui-ci est un composé ternaire ou un quaternaire, par exemple, de l’AlGaN, il est alors possible d’incorporer une forte quantité d’aluminium et ainsi obtenir un alliage dont la proportion atomique d’aluminium est particulièrement élevée, par exemple supérieure ou égale à 5%, 10%, voire à 20%. La proportion atomique d’aluminium dépend des propriétés optiques et/ou électroniques souhaitées de la ou des portions cristallines de détection.
[0064] Ainsi, le procédé de fabrication permet d’obtenir un photodétecteur 1 à couche de graphène 3 présentant des performances optiques et/ou électroniques améliorées sans avoir recours à des étapes de dépôt en phase liquide, ce qui simplifie le procédé de fabrication. Par ailleurs, comme décrit plus loin, la ou les portions cristallines de détection présentent une qualité cristalline améliorée lorsque le procédé comprend l’étape avantageuse de traitement thermique, préalablement à l’étape de croissance épitaxiale, ce qui permet de limiter la densité de défauts structuraux également dans la ou les portions cristallines de détection 4, améliorant ainsi également les performances optoélectroniques du photodétecteur 1.
[0065] Les figures 5A à 5C illustrent différentes caractérisations d’une portion cristalline de détection 4 se présentant sous la forme d’une couche continue obtenue par le procédé de fabrication dans laquelle l’étape préalable de traitement thermique est mise en œuvre. Ces exemples de caractérisations de la couche cristalline de détection 4 permettent de mettre en évidence l’absence ou la quasi-absence de contraintes mécaniques, traduisant ainsi l’état relaxé de la couche cristalline de détection 4. Dans cet exemple, la couche cristalline de détection 4 est réalisée en GaN, à partir d’une couche de graphène 3 reposant sur une couche support 2 en SiC hexagonal.
[0066] La figure 5A illustre une comparaison du diagramme de diffraction des rayons X de la couche cristalline de détection 4 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique, à ceux de trois couches en GaN de référence. On compare en particulier la valeur de la position angulaire suivant l’angle 20 de la raie [002] de la couche cristalline de détection en GaN par rapport aux couches de référence. Ainsi, la courbe Ci illustre l’intensité de diffraction des rayons X de la couche cristalline de détection 4 en GaN épitaxiée à partir de la couche de graphène 3 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique. La courbe C2 est relative à une couche de référence en GaN massif donc relaxé, la courbe C4 à une couche de référence en GaN épitaxiée directement à partir d’une couche support 2 en saphir, et enfin la courbe C3 à une couche de référence en GaN épitaxiée directement à partir d’une couche support 2 en SiC. Il en ressort que la courbe Cl des plots cristallins de détection 4 présente un pic d’intensité pour une valeur 20 sensiblement égale à celle de la courbe C2 relative au GaN relaxé. Par ailleurs, la courbe C4 du GaN épitaxié à partir de saphir montre que le GaN subit des contraintes mécaniques en compression, et la courbe C3 du GaN épitaxié à partir de SiC indique que le GaN subit des contraintes mécaniques en tension. Ainsi, la couche cristalline de détection 4 obtenue à partir du procédé de fabrication selon un mode de réalisation avec l’étape de traitement thermique présente une quasi-absence de contraintes mécaniques : le GaN est ici sensiblement relaxé. Son paramètre de maille effectif est alors sensiblement égal à son paramètre de maille naturel (3,189Â), et ne correspond ni à celui du matériau SiC (3,o8oÂ) de la couche support 2, ni à celui du graphène (2,46oÂ).
[0067] La figure 5B illustre une comparaison du spectre de photoluminescence de la couche cristalline de détection 4 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique, à ceux de deux couches en GaN de référence. Ainsi, la courbe Ci illustre l’intensité de photoluminescence de la couche cristalline de détection 4 en GaN épitaxiée à partir de la couche de graphène 3 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique. La courbe C2 est relative à une couche de référence en GaN massif donc relaxé, et la courbe C3 à une couche de référence en GaN épitaxiée directement à partir d’une couche support 2 en saphir. Il en ressort, ici également, que la courbe Cl de la couche cristalline de détection 4 présente un pic de photoluminescence pour une valeur d’énergie plus proche de celle du pic de la couche C2 (GaN relaxé) que de celle du pic de la courbe C3 (GaN en compression). La couche cristalline de détection présente effectivement un état relaxé ou sensiblement relaxé.
[0068] La figure 5C illustre une comparaison du spectre Raman de la raie E(2>2 de la couche cristalline de détection 4 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique, à ceux de trois couches en GaN de référence. Comme précédemment, la courbe Ci illustre l’évolution de l’intensité lumineuse diffusée de la couche cristalline de détection 4 en GaN épitaxiée à partir de la couche de graphène 3 obtenue par le procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique. La courbe C2 est relative à une couche de référence en GaN massif donc relaxé, la courbe C3 à une couche de référence en GaN épitaxiée directement à partir d’une couche support 2 en saphir, et enfin la courbe C4 à une couche de référence en GaN épitaxiée directement à partir d’une couche support 2 en SiC. Il en ressort, ici également, que la courbe Ci de la couche cristalline de détection présente un pic de diffusion pour une valeur du déplacement Raman (Raman shift, en anglais) plus proche de celle du pic de la couche C2 (GaN relaxé), que de celles des pics de la courbe C3 (GaN en compression) et de la courbe C4 (GaN en tension). La couche cristalline de détection 4 présente effectivement un état relaxé ou sensiblement relaxé.
[0069] Par ailleurs, les inventeurs ont ainsi mis en évidence que l’étape de traitement thermique mise en œuvre avant l’étape de croissance d’au moins une portion cristalline de détection 4 en un composé III-N, et donc avant la phase de nucléation du composé III-N, permet d’obtenir une amélioration de la qualité cristalline du composé III-N. La qualité cristalline du composé III-N peut être mise en évidence à partir de l’analyse de la présence et de l’orientation de plans cristallins des plots cristallins de détection 4 obtenus à la suite de la phase de nucléation. En effet, les plots cristallins de détection 4 du composé III-N peuvent présenter chacun une forme sensiblement pyramidale ou tronconique à faces inclinées, plus précisément à faces semi-polaires, ces dernières reliant une base hexagonale au sommet du plot cristallin. Cela correspond à la phase wurtzite (hexagonale) de la structure cristalline dans laquelle les composés III-N sont le plus stables thermodynamiquement.
[0070] La figure 6A est une vue au microscope électronique à balayage (MEB) d’un exemple de plots cristallins de nucléation 4 de composé III-N obtenus à la suite de la phase de nucléation du procédé selon un mode de réalisation comportant l’étape de traitement thermique. La figure 6B représente la transformée de Fourrier rapide (FFT, pour Fast Fourier Transform, en anglais) de la vue MEB pixellisée illustrée sur la fig.6A. Dans cet exemple, le composé III-N est du GaN épitaxié à partir de la couche de graphène 3, celle-ci reposant sur une couche support 2 en SiC hexagonal. Le procédé selon ce mode de réalisation comporte ainsi l’étape de traitement thermique au cours de laquelle la couche de graphène 3 est soumise à une température supérieure ou égale à 1O5O°C, ici de 1O75°C environ, sous un flux d’ammoniac de 73oosccm. La phase de nucléation est ensuite effectuée à une température de nucléation de 96o°C. Le rapport N/III est de 1180, pour un flux de NH3 de 73OOsccm et un flux de TMGa de 277pmol.min1. Il en ressort que les plots cristallins 4 présentent majoritairement chacun une forme sensiblement pyramidale à base hexagonale, dont les faces semi-polaires, sensiblement planes, relient la base au sommet du plot cristallin. La transformée de Fourier de la vue MEB présente six raies principales, correspondant chacune à l’une des faces semi-polaires des plots cristallins. Le fait que le contraste associé aux raies soit important (rapport signal sur bruit important) traduit la bonne qualité cristalline des plots cristallins 4, et en conséquence de la ou des portions cristallines de détection 4 selon que le photodétecteur 1 comporte in fine une couche cristalline continue de détection ou des plots cristallins de détection.
[0071] La figure 7A est une vue au microscope électronique à balayage (MEB) d’un exemple de plots cristallins de détection 4 de composé III-N obtenus à la suite de la phase de nucléation d’un procédé dans lequel l’étape de traitement thermique n’est pas mise en œuvre. La figure 7B représente la transformée de Fourrier rapide (FFT, pour Fast Fourier Transform, en anglais) de la vue MEB pixellisée illustrée sur la fig.TA. Dans cet exemple, le composé III-N est du GaN épitaxié à partir de la couche de graphène 3, celle-ci reposant sur une couche support 2 en SiC hexagonal. Le procédé de fabrication comporte ainsi une phase de nucléation sans l’étape préalable de traitement thermique. Comme précédemment, la phase de nucléation est effectuée à une température de nucléation de 96o°C. Le rapport N/III est de 1180, pour un flux de NH3 de 73OOsccm et un flux de TMGa de 277pmol.min1. Il en ressort que les plots cristallins ne présentent pas une même structure cristalline d’un plot à l’autre. De plus, aucun des plots ne présente une forme sensiblement pyramidale à base hexagonale, à faces semi-polaires sensiblement planes. En conséquence, la transformée de Fourier de la vue MEB ne présente pas de raies principales distinguables, ce qui traduit la qualité cristalline moindre des plots cristallins de nucléation, et donc de la ou des portions cristallines de détection selon que le photodétecteur 1 comporte in fine une couche cristalline continue de détection ou des plots cristallins de détection.
[0072] La figure 8A est une vue au microscope électronique à balayage (MEB) d’un exemple de plots cristallins de nucléation de composé III-N obtenus à la suite de la phase de nucléation d’un procédé dans lequel une étape préalable de traitement thermique est mise en œuvre, mais sans flux d’ammoniac. La figure 8B représente la transformée de Fourrier rapide (FFT, pour Fast Fourier Transform, en anglais) de la vue MEB pixellisée illustrée sur la fig.8A. Dans cet exemple, le composé III-N est du GaN épitaxié à partir de la couche de graphène 3, celle-ci reposant sur une couche support 2 en SiC hexagonal. Le procédé de fabrication comporte ici une étape de traitement thermique au cours de laquelle la couche de graphène 3 est soumise à une température supérieure ou égale à 1O5O°C, ici de 1O75°C environ, mais se distingue de l’étape de traitement thermique mentionnée précédemment en ce que la couche de graphène 3 n’est pas soumise concomitamment à un flux d’ammoniac. La phase de nucléation est ensuite effectuée à une température de nucléation de 9ôo°C. Le rapport N/III est de 1180, pour un flux de NH3 de 73oosccm et un flux de TMGa de 277pmol.min1. Il en ressort que les plots cristallins ne présentent pas une même structure cristalline d’un plot à l’autre, et n’ont pas une forme sensiblement pyramidale à base hexagonale, à faces semi-polaires sensiblement planes. La transformée de Fourier de la vue MEB ne présente donc pas de raies principales distinguables, ce qui confirme la qualité cristalline moindre des plots cristallins de nucléation, et en conséquence de la ou des portions cristallines de détection selon que le photodétecteur 1 comporte in fine une couche cristalline continue de détection ou des plots cristallins de détection.
[0073] Les inventeurs ont ainsi montré que le fait d’effectuer une étape de traitement thermique à une température supérieure ou égale à une température seuil de 1O5O°C sous ammoniac permet d’améliorer la qualité cristalline des plots cristallins de nucléation du composé III-N, et donc en conséquence de la ou des portions cristallines de détection 4. Ces plots cristallins présentent majoritairement une même structure cristalline de type pyramidal à base hexagonale dont les faces semi-polaires sont sensiblement planes. Le fait d’effectuer une étape de traitement thermique au-dessus de la température seuil de 1O5O°C, mais sans flux d’ammoniac ne permet pas d’obtenir des plots cristallins de nucléation à bonne qualité cristalline. De même, le fait de soumettre la couche de graphène 3 à un flux d’ammoniac, mais à une température inférieure à la température seuil de 1O5O°C ne permet pas non plus d’obtenir des plots cristallins de nucléation du composé III-N de bonne qualité cristalline.
[0074] La figure 9 est une comparaison du spectre Raman de la couche de graphène 3 obtenue après l’étape de traitement thermique du procédé de fabrication selon un mode de réalisation, à ceux de deux couches de graphène de référence. La courbe Di illustre le spectre Raman pour la couche de graphène 3 utilisée dans le procédé de fabrication selon un mode de réalisation, telle qu’obtenue après son étape de formation. La courbe D2 illustre le spectre Raman pour la même couche de graphène 3 utilisée dans le procédé de fabrication selon un mode de réalisation, après une étape de recuit à 8oo°C (sans flux d’ammoniac). Et la courbe D3 illustre le spectre Raman pour la même couche de graphène 3 utilisée dans le procédé de fabrication selon un mode de réalisation, après l’étape de recuit à 8oo°C (sans flux d’ammoniac) et après l’étape de traitement thermique à 1O75°C sous ammoniac.
[0075] D’une manière générale, le spectre Raman d’une couche de graphène 3 présente un pic issu des modes D autour de 1350 cm1, un pic issu des modes G autour de 1600 cm1 et un pic issu des modes 2D autour de 2700 cm1. Le pic issu des modes D est utile pour évaluer la qualité cristalline de la couche de graphène 3 : plus l’intensité est grande, plus la couche de graphène 3 présente des défauts de sa structure cristalline. Le pic issu des modes 2D renseigne essentiellement sur le nombre de feuillets d’atomes de carbone : plus la couche de graphène 3 comporte de feuillets, plus le pic s’élargit.
[0076] Il ressort de ces spectres que la couche de graphène 3 présente initialement un faible pic des modes D (courbe Dl), et un pic plus marqué après l’étape de recuit (courbe D2), traduisant une éventuelle dégradation de la structure cristalline de la couche de graphène 3 induite par l’étape de recuit. Cependant, après l’étape de traitement thermique (courbe D3), elle présente une très faible densité de défauts structuraux dans la mesure où le spectre ne présente plus de pic issu des modes D. L’étape de traitement thermique dans laquelle la couche de graphène 3 est soumise à un flux d’ammoniac et à une température supérieure ou égale à 1O5O°C semble ainsi induire une amélioration de la qualité cristalline de la couche de graphène 3. Il est possible que cela ait une influence sur l’amélioration de la qualité cristalline du composé III-N décrite précédemment. Par ailleurs, il apparaît que le pic associé aux modes 2D reste sensiblement identique pour les courbes Dl, D2 et D3, traduisant ainsi l’absence de modification du nombre de feuillets d’atomes de carbone qui forment la couche de graphène 3.
[0077] Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’un photodétecteur (i) adapté à détecter un rayonnement électromagnétique d’intérêt, comportant :
    - une couche support (2) réalisée en un matériau électriquement isolante,
    - une couche de graphène (3) reposant sur la couche support (2), et
    - au moins une portion cristalline de détection (4), réalisée en un composé semiconducteur cristallin apte à absorber le rayonnement électromagnétique d’intérêt, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de croissance épitaxiale de la portion cristalline de détection (4) directement à partir de la couche de graphène (3).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le composé semiconducteur cristallin est un composé III-V, un composé II-VI, ou un composé IV.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composé semiconducteur cristallin est épitaxié par une technique de dépôt chimique ou physique en phase vapeur.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, à la suite de l’étape de croissance épitaxiale, ladite au moins une portion cristalline de détection (4) forme une unique couche cristalline continue qui revêt au moins en partie la couche de graphène (3).
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, à la suite de l’étape de croissance épitaxiale, ladite au moins une portion cristalline de détection (4) forme une pluralité de plots cristallins distincts les uns des autres qui revêtent partiellement la couche de graphène (3).
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, le composé semiconducteur cristallin étant un composé III-N, comportant la mise en œuvre, préalablement à une phase de nucléation du composé III-N lors de l’étape de croissance épitaxiale, d’une étape de traitement thermique de la couche de graphène (3) dans laquelle celle-ci est soumise à une première température (Ttt) supérieure ou égale à 1O5O°C et à un flux d’ammoniac.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la phase de nucléation de ladite portion cristalline de détection (4) est réalisée à une deuxième température (Tn) inférieure à 1O5O°C.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, comportant, à la suite de la phase de nucléation, une phase de croissance de ladite portion cristalline de détection (4) réalisée à une troisième température (Te) supérieure à la deuxième température (T2) et inférieure à 1O5O°C.
  9. 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l’ammoniac est 5 un précurseur de l’azote du composé III-N lors de phases de nucléation et de croissance du composé III-N de ladite portion cristalline de détection (4).
  10. 10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le composé semiconducteur cristallin peut être un composé III-N choisi parmi le GaN, l’AlGaN, l’InGaN, et l’AlInGaN.
    10
  11. 11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la couche de graphène (3) est constituée d’une seule feuille de graphène.
  12. 12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, le composé semiconducteur cristallin étant un composé III-N en un alliage à base de GaN ou d’AlGaN adapté à absorber un rayonnement électromagnétique d’intérêt présentant un pic d’intensité à une longueur 15 d’onde comprise entre îoonm et 400nm.
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