WO2012080989A2 - Dispositif de photodetection - Google Patents

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WO2012080989A2
WO2012080989A2 PCT/IB2011/055742 IB2011055742W WO2012080989A2 WO 2012080989 A2 WO2012080989 A2 WO 2012080989A2 IB 2011055742 W IB2011055742 W IB 2011055742W WO 2012080989 A2 WO2012080989 A2 WO 2012080989A2
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mirror
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Roch Espiau De Lamaestre
Christophe Largeron
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
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Definitions

  • the invention relates to a photodetection device and in particular an infrared photodetector.
  • Such a device comprises an absorbent semiconductor layer having a determined thickness.
  • Infrared quantum photodetectors are already known. These must be cooled well below room temperature, to minimize or even eliminate in the semiconductor, the carrier generation process, or dark current, which competes with the free carrier photo-generation. , or useful signal.
  • the decrease of the detector temperature is therefore the current means in the state of the art for maximizing the signal-to-noise ratio.
  • the thickness of the semiconductor layer is several micrometers, which ensures maximum absorption of infrared light.
  • a decrease in the semiconductor volume present in the photodetector also reduces the dark current. Decreasing the thickness of the semiconductor layer has other advantages: reducing the cost of materials and increasing the speed of detection.
  • This structure can in particular take the form of a structured metallic mirror which is placed on the rear face of a semi-circular layer. absorbent conductor, so as to obtain a strengthening of the absorption in this semiconductor layer.
  • Such a mirror may especially be used in quantum well detectors, in the spectral range of the medium and far infrared.
  • This article describes a detector comprising a stack of layers forming quantum wells. In normal incidence to the detector, the latter is not absorbent.
  • the mirror makes it possible to reflect the incident wave with an angle so that it is absorbed by at least one quantum well.
  • Such a mirror has also been proposed for improving the efficiency of thin-film solar cells of amorphous Si in the visible and near-infrared regions.
  • a structured metal mirror can diffractably couple the incident radiation to the semiconductor absorber layer.
  • the metal mirror can be structured in the form of a two-dimensional network, in particular an array of pads in various configurations, for example square studs in square grating or round studs in square or hexagonal gratings.
  • the height of the pads or holes of the mirror used is of the order of a quarter of the wavelength of use, to optimize the absorption of quantum wells.
  • the structures With a material encasing the structure of the network whose index is 2.5, the structures will have a depth of about 400 nm for a wavelength of 4 pm. This leads to mirrors with a thickness of about 500 nm, the thickness being counted between the bottom of the mirror and the top of the structures.
  • This large thickness can pose a number of technological difficulties of realization.
  • the quantum efficiency of these photodetectors depends considerably on the angle of light incident on the photodetector.
  • the absorption spectrum of the semiconductor layer present in the photodetector reveals a resonance peak of the absorption which is a function of the angle of the incident light. It is found that with known mirrors, the position and the shape of the absorption peak vary significantly with the angle of incidence of the wave on the detector.
  • the article by Andersson et al., J. Appl. Phys. 171 (1992) 3600 tends to show a very wide angular response with insensitivity up to at least 15 °.
  • hyperspectral detection that is to say the detection of several wavelengths within the same detection range (for example 4 different "colors" in the same range 8 -12 Mm) without the colors mixing when the radiation arrives at an angle of incidence.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of photodetectors of the state of the art by providing a photodetector comprising a semiconductor thin film and a structured metal mirror and which has a reduced sensitivity to the incidence angle of the infrared light radiation used, while maintaining the quantum efficiency of absorption of this light radiation, measured for example as the ratio between the light power absorbed in the semiconductor and the incident light power.
  • the invention relates to a photodetector for a light radiation of a given wavelength ( ⁇ ) comprising a stack of layers with:
  • a spacing layer made of a material transparent to said wavelength
  • a structured metal mirror the distance (g) between the apex of said mirror and said spacer layer being less than ⁇ and said mirror having an array of holes defining an array of metal reliefs, with a pitch P of between 0.5 ⁇ / nSC and 1, 5 ⁇ / nSC where nSC is the real part of the refractive index of the semiconductor material, a width L of relief between 9P / 10 and P / 2 and a depth h of hole between ⁇ / 100 and ⁇ / 15.
  • Such a photodetector has a lower angular sensitivity and the spectral width of the resonance is increased.
  • this photodetector makes it possible to envisage the easier realization of matrices of pixels that are sensitive to different wavelengths (multispectral detection). This results in particular:
  • the pitch P is preferably between 3P / 4 and 9P / 10.
  • the network of said mirror has a beam of hollow lines.
  • this network has two crossed beams of parallel hollow lines. They can also be parallel or not to the edges of the photodetector.
  • the semiconductor material is selected from Si, Ge, SiGe, InAs, InSb, GaSb, PbS, PbSe, PbTe or Hg Cd x Te -x (x ⁇ 0.9), ternary alloys such as InGaAs , AlInAs, AlInSb, InAsSb or InGaSb, quaternary alloys such as InGaAsP or InGaAsSb and quinary alloys such as GalnAsSb or GalnAsSbP, or a type II superlattice, for example InAs / InSb on GaSb.
  • ternary alloys such as InGaAs , AlInAs, AlInSb, InAsSb or InGaSb
  • quaternary alloys such as InGaAsP or InGaAsSb
  • quinary alloys such as GalnAsSb or GalnAsSbP
  • the material of the spacer layer is selected from air, ZnS, CdTe, S1O2 or III-V materials.
  • the spacer layer has a thickness of at least 10 nm, in order to fulfill a diffusion barrier function.
  • the distance g is less than ⁇ / 50.
  • the photodetector may comprise on said layer of semiconductor material, a substrate transparent to said wavelength.
  • This substrate may for example be the growth substrate of the absorbing semiconductor layer, for example a CdZnTe substrate in the case where it is desired to grow a layer of CdHgTe.
  • the substrate may also contribute to the mechanical cohesion of the final photodetector.
  • this transparent substrate is made of a material whose index is greater than that of air.
  • FIG. 1 is a sectional view of an exemplary photodetector according to the invention
  • FIG. 2 is a curve showing, in an example of a one-dimensional photodetector according to the invention, the quantum efficiency of the photodetector as a function of the wavelength for an incident light perpendicular to the photodetector,
  • FIG. 3 shows a network of curves similar to those of FIG. 2 corresponding to different angles of incidence
  • FIG. 4 shows four curves representing the quantum efficiency of a photodetector according to the invention, as a function of the angle of incidence, for different values of the parameter g.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of the photodetector according to the invention.
  • FIG. 6 presents a network of curves showing, as a function of the wavelength and for several angles of incidence of the incident light, the quantum efficiency of another example of a one-dimensional photodetector comprising a transparent substrate,
  • FIG. 7 shows a network of curves similar to those of FIG. 6 and for a photodetector without a transparent substrate
  • FIGS. 8a and 8b are each a curve showing, as a function of wavelength, the quantum efficiency of two photodetectors according to the invention comprising a mirror structured in two dimensions and for an incident light perpendicular to the photodetector, and
  • FIG. 9 comprises five curves representing the quantum efficiency of a photodetector according to the angle of incidence, for different values of the width L of the reliefs and of the depth h of the hole.
  • FIG. 1 illustrates an example of a photodetector 1 according to the invention.
  • This photodetector comprises a stack of layers, illustrated in section in FIG. 1, with a substrate 10 which is transparent at the wavelength ⁇ of the light radiation used.
  • the arrows F illustrate the propagation of the incident light radiation at the front face 100 of the photodetector.
  • the light radiation propagates inside the substrate 10, undergoing a refraction phenomenon at the passage of the air-substrate interface, inducing a modification of its angle of incidence according to the Snell-Descartes law. Since the substrate has an index greater than that of air, the angle of incidence in the substrate will be lower than the angle of incidence in the air. This substrate will act as a growth substrate of the semiconductor, or else an element ensuring the mechanical cohesion of the photodetector.
  • This transparent substrate can be made in CdZnTe.
  • a layer 11 of a semiconductor material In contact with the transparent substrate 10, there is provided a layer 11 of a semiconductor material.
  • This transparent substrate may be omitted in other embodiments of the photodetector according to the invention.
  • the fact that the semiconductor layer is bare decreases the life of the photodetector device, or else induces a strong recombination of photogenerated carriers on the surface of this layer and therefore a reduction in the collection efficiency of the photodetector. photogenerated charges.
  • an electrical passivation layer may then be provided on the layer 11.
  • This layer should be thin enough not to affect the optical characteristics of the device (typically it will be chosen small in front of the wavelength). It may, for example, be a layer of CdTe coated with a layer of ZnS, both having a thickness of about 100 nm.
  • the semiconductor material and its thickness are chosen so that it is partially absorbent.
  • this layer of semiconductor material is chosen such that the semiconductor layer 11 is not totally absorbent. It can advantageously respond to the following relation (1):
  • kSC is the imaginary part of the refractive index of the semiconductor material.
  • This material may be chosen from the following materials: Si, Ge, SiGe, InAs, InSb, GaSb, PbS, PbSe, PbTe or Cd x Hg -x Te (with x ⁇ 0.9), ternary alloys such as InGaAs, AlInAs , AlInSb, InAsSb or InGaSb, quaternary alloys such as InGaAsP or InGaAsSb and quinary alloys such as GalnAsSb or GalnAsSbP, or a type II superlattice, for example InAs / InSb on GaSb.
  • the stack further comprises a metal mirror 13 and, between the semiconductor layer 11 and the mirror 13, a spacer layer 12.
  • the mirror comprises, on its surface 130, in contact with the spacer layer 12, a series of reliefs 131.
  • the top of the mirror 13 corresponds to the top of the relief 131 The highest.
  • the distance g between the apex of the mirror 13 and the semiconductor layer 11 is chosen to be smaller than the wavelength ⁇ of the light radiation used.
  • the structuring of the mirror 13 induces a guided mode parallel to the semiconductor layer 11 with an evanescent electric field which is maximum at the apex of the mirror and which decreases towards the substrate 10.
  • the absorbing layer 11 is placed sufficiently close to the mirror to be in this region of reinforcement of the electromagnetic field. This corresponds to a distance g from the surface of the mirror smaller than ⁇ .
  • This spacer layer 12 is made of a material transparent to the wavelength of the light radiation used.
  • This material may be air or else: ZnS, CdTe, III-V materials according to the group to which the absorbing semiconductor belongs.
  • the distance g is less than ⁇ / ne, where ⁇ is the wavelength of the light radiation used and where is the optical index of the material of the spacer layer 12.
  • this distance g can be substantially zero.
  • this structuring can be done in one or two dimension (s).
  • the reliefs 131 extend, on the surface 130, along substantially parallel lines.
  • the mirror array is defined by a bundle of hollow or raised lines.
  • the resonance of the absorption will be generated only in TM polarization, that is to say for a magnetic field of the incident light radiation parallel to the lines of the network.
  • Structuring can also be provided in two dimensions, so as to make the photodetector independent of the polarization.
  • the structuring then consists of a network of reliefs in the form of pads, for example a square network of round or square studs, or a hexagonal network of round studs.
  • this network then has two crossed beams of parallel lines, hollow.
  • these lines may or may not be parallel to the edges of the photodetector.
  • the materials that can be used to make the mirror 13 are noble metals such as gold, aluminum and copper as well as all metals to the extent that their conductivity is not more than twenty times lower than that of gold.
  • the structures may include a thin layer of metal for securing the previous metal on the spacer layer 12, for example Ti titanium.
  • another coupling in play is the coupling of the incident light with the pair of coupled and guided modes parallel to the plane of the semiconductor layer, obtained through the network formed on the mirror.
  • the strength of the latter coupling will be determined by the shape of the network (period or not P, fill factor L / P and depth h of the structures). It is preferable for the invention that this coupling network is strong, in order to obtain a high quantum detection efficiency.
  • the period of the network sets the torque (wavelength, angle of incidence) of the resonance peak.
  • nSC is the real part of the refractive index of the absorbing semiconductor material.
  • the pitch P will be chosen included in the range 0.5A / nSC and
  • the width L of the reliefs will be chosen between 9P / 10 and P / 2.
  • the depth of the structuring of the mirror that is to say the height h of the reliefs 131 or the depth of the holes, will be between ⁇ / 15 and ⁇ / 100 and it will be chosen typically substantially equal to ⁇ / 50. In general, this height h will be adjusted according to the thickness e of the layer 11 of the semiconductor and the optical index of the spacer layer 12.
  • MCT telluride cadmium mercury
  • the wavelength ⁇ of the incident light radiation is between 3 and 5 ⁇ .
  • the imaginary part of the refractive index of the semiconductor material is of the order of 0.2 for a wavelength of 4 ⁇ m.
  • the relation (1) leads to a thickness of the semiconductor layer of less than about 2 ⁇ .
  • the thickness of the semiconductor layer will be chosen equal to 400 nm.
  • the layer of spacing material is made of ZnS.
  • the metal mirror is made of gold and the distance g between the metal mirror and the spacer layer is equal to 50 nm. It is therefore between ⁇ / 100 and ⁇ / 60, for the range of wavelength retained.
  • the thickness between the surface 130, corresponding to the bottom of the structures, and the bottom of the mirror, corresponding to the surface 132 opposite the surface 130 is at least equal to the thickness of the skin at the wavelength considered.
  • the latter will be of the order of 25 nm for a gold mirror at a wavelength of 4 ⁇ m.
  • the pitch of the grating is chosen equal to 1450 nm and the width L of the metallic lines is chosen equal to 800 nm.
  • P is well located in the range 0.5A / nSC and 1, ⁇ / nSC, for the range of wavelength retained.
  • L is chosen substantially equal to 0.55 P.
  • the depth of the structuring of the mirror that is to say the height h, is 125 nm. It is therefore between ⁇ / 40 and ⁇ / 24 for the range of wavelength considered.
  • FIG. 2 illustrates, for this photodetector example, the quantum efficiency of the photodetector (that is to say the ratio between the power absorbed and the incident power or the ratio between the number of electron-hole pairs actually generated by absorption in the semiconductor layer and the number of incident photons) as a function of the wavelength (expressed in nm), for an incident light perpendicular to the polarization photodetector TM and for an operating temperature of 77 K.
  • the quantum efficiency of the photodetector that is to say the ratio between the power absorbed and the incident power or the ratio between the number of electron-hole pairs actually generated by absorption in the semiconductor layer and the number of incident photons
  • This absorption layer shows a resonance peak, a function of the angle of incidence and the resonance wavelength, which is here about 4.44 ⁇ .
  • This curve shows that the optical absorption in the semiconductor layer is about 70% of the incident power for the resonant wavelength.
  • the value of the pitch P makes it possible to adjust the resonance wavelength.
  • a variation of P between 1.015 ⁇ and 1.6 ⁇ makes it possible to vary the resonance wavelength between 3.6 and 4.8 ⁇ m.
  • the resonance wavelength is adjusted thanks to the geometrical parameters of the structure, such as the nature and the thicknesses of the materials put in contact with the semiconductor layer, the metal constituting the structured mirror, the thickness of the semiconductor layer or the value of g.
  • variations of these parameters are of the second order on the adjustment of the resonance wavelength, with respect to the choice of P.
  • FIG. 9 illustrates the influence of the lateral width L of the reliefs and the depth of hole h on the angular sensitivity of the photodetector.
  • the different curves R 1 to R 5 give the quantum efficiency of the photodetector as a function of the angle of incidence on the semiconductor layer.
  • the curve f3 ⁇ 4 corresponds to the photodetector referenced for FIGS. 2 and 3.
  • the ratio L / P is equal to 0.55 and h is equal to 125 nm. These two values are in the selected ranges.
  • the other curves correspond to a photodetector having the same characteristics, except that concerning the width L and possibly the height h.
  • the curve Ri corresponds to a photodetector for which L is equal to 1000 nm and h is equal to 125 nm.
  • the L / P ratio is 0.69. It is well located in the chosen range, as h.
  • the curve R3 corresponds to a photodetector for which L is equal to 600 nm and h is equal to 170 nm.
  • the ratio L / P is 0.41 and is not in the range chosen, unlike h.
  • the curve R 4 corresponds to a photodetector for which L is equal to 350 nm and h is equal to 600 nm.
  • the L / P ratio is 0.24. This report, like h, is not in the ranges selected.
  • the curve R 5 corresponds to a photodetector for which L is equal to 700 nm and h is equal to 700 nm.
  • the L / P ratio is 0.48. This report and h are also not in the ranges selected.
  • FIG. 3 illustrates a network of curves similar to that of FIG. 2 and corresponding to angles of incidence varying between 0 and 4 °. These curves were obtained with a photodetector identical to the example described above and corresponding to FIG.
  • the curve Ci in solid line corresponds to the curve shown in Figure 2.
  • the light radiation is perpendicular to the surface of the photodetector.
  • Curve C2 also corresponds to a curve showing the quantum efficiency of the photodetector as a function of the wavelength, but for a light incident on the layer 11 forming an angle of 1 ° with respect to the normal.
  • the curve C3 corresponds to a variation of the angle of incidence of 2 °
  • the curve C 4 to a variation of 3 °
  • the curve C 5 to a variation of 4 °.
  • This beam of curves shows that the quantum efficiency of the photodetector does not vary as a function of the angle of incidence, if this variation is ⁇ 1, 5 ° in the transparent substrate 10, which corresponds to a variation of ⁇ 4 ° in the air.
  • the response of the detector is divided substantially by two for a variation of the angle of incidence greater than ⁇ 4 ° in the substrate 10, ie ⁇ 10 ° in the air.
  • the angular sensitivities of a photodetector comprising a transparent CdZnTe substrate 10 (FIG. 6) and a photodetector without a transparent substrate (FIG. 7) will now be compared.
  • the photodetectors are one-dimensional and comprise a MCT semiconductor layer whose thickness is 400 nm.
  • the metal mirror is made of gold, the height of the reliefs is 125 nm for the photodetector comprising a CdZnTe substrate and 225 nm for the one which does not have one.
  • the thickness between the bottom of the structures and the bottom of the mirror will for example be 100 nm. Here it is greater than the skin thickness of the metal at the wavelength considered, which is 25 nm for gold.
  • the distance g between the metal mirror and the spacer layer is 50 nm.
  • the pitch P of the grating is chosen equal to 1450 nm and the width L of the reliefs or lines is chosen equal to 1000 nm.
  • the solid line curve C'i illustrates the quantum efficiency of the CdZnTe substrate photodetector as a function of the wavelength, for a light radiation perpendicular to the surface of the photodetector and for an operating temperature of 77K.
  • Curve C 2 is a similar curve for an angle of incidence of 1 °.
  • the curves C'3 and C ' 4 respectively correspond to a variation of the angle of incidence of 2 ° and 3 ° relative to the perpendicular to the surface of the photodetector.
  • the solid line curve K 1 illustrates the quantum efficiency of the substrateless photodetector, as a function of wavelength, for a light radiation perpendicular to the surface of the photodetector and for the same operating temperature.
  • the curves K 2 to K 5 are similar curves respectively corresponding to a variation of the angle of incidence of 5 °, 10 °, 15 ° and 20 °, relative to the perpendicular to the surface of the photodetector.
  • Ki to K5 shows that the photodetector without substrate is less sensitive to the angle of incidence of the light radiation that the photodetector has a CdZnTe substrate.
  • the response of the photodetector varies substantially to the same extent for a variation of the angle of incidence between 0 ° and 15 ° for the photodetector without substrate and between 0 ° and 2 ° for the photodetector with substrate (which corresponds to a variation between 0 ° and 5 ° in the air present above the substrate).
  • the photodetector with transparent substrate has the advantage of being more mechanically robust.
  • FIG. 4 shows several curves making it possible to compare the quantum efficiency of the photodetector, as a function of the angle of incidence on the semiconductor layer, for different values of the parameter g.
  • the photodetector considered has the same characteristics as that taken with reference to FIGS. 2 and 3, with regard to the values of e, P and L / P.
  • h retained here is between 125 and 150 nm.
  • the parameter g is modified here in each of the photodetectors considered.
  • the curve Gi corresponds to a photodetector for which g is equal to 10 nm.
  • g is equal to 50 nm
  • g is equal to 160 nm
  • g is equal to 300 nm.
  • the curve G2 corresponds to that obtained with the photodetector described above and which are associated with Figures 2 and 3. It corresponds to the curve F3 ⁇ 4 of Figure 9.
  • the detector response will remain insensitive to a variation of the angle of incidence of only ⁇ about 0.3 °.
  • the performance of the photodetector i.e., its angular sensitivity, can be considered as being determined by the width of the absorption-angle curve at the half-height of the curve.
  • this performance can be considered good when the width of the curve corresponds to an angular amplitude of about 5 °.
  • FIG. 8a is a curve showing the quantum efficiency of the photodetector as a function of the wavelength for a photodetector according to the invention having a two-dimensional structured gold mirror.
  • the material is ZnS and the CdZnTe substrate, and the mirror has square shaped pads with a width L of 1200 nm and a pitch P of 1450 nm.
  • Figure 8b is the corresponding curve for a photodetector identical to that used for Figure 8a, except for the width L of the pads which is here 800 nm.
  • FIGS. 8a and 8b show that the photodetector having a width L substantially also at 4P / 5 (FIG. 8a) makes it possible to obtain a single resonance peak, unlike the photodetector having a width L substantially equal to P / 2 ( Figure 8b).

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Abstract

La présente invention concerne un photodétecteur pour une radiation lumineuse infrarouge d'une longueur d'onde donnée (λ) comprenant un empilement de couches avec : - une couche (11 ) d'un matériau semi-conducteur partiellement absorbant, - une couche (12) d'espacement en un matériau transparent à ladite longueur d'onde, et - un miroir métallique structuré (13), la distance (g) entre le sommet dudit miroir et ladite couche d'espacement étant inférieure à λ et ledit miroir présentant un réseau de trous définissant un réseau de reliefs métalliques avec un pas P compris entre 0,5 λ/nSC et 1,5 λ/nSC, où nSC est la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur, une largeur L de relief comprise entre 9P/10 et P/2 et une profondeur h de trou comprise entre λ/100 et λ/15.

Description

DISPOSITIF DE PHOTODETECTION
L'invention concerne un dispositif de photodétection et notamment un photodétecteur infrarouge.
Un tel dispositif comporte une couche de semi-conducteur absorbant présentant une épaisseur déterminée.
On connaît déjà des photodétecteurs quantiques infrarouges. Ceux-ci doivent être refroidis bien en-dessous de la température ambiante, pour minimiser voire supprimer dans le semi-conducteur, le processus de génération de porteurs, ou courant d'obscurité, qui entre en compétition avec la photo-génération de porteurs libres, ou signal utile.
La diminution de la température du détecteur est donc le moyen courant dans l'état de l'art pour maximiser le rapport signal sur bruit.
Lorsque le semi-conducteur utilisé dans le photodétecteur est du tellurure de cadmium mercure, l'épaisseur de la couche de semi-conducteur est de plusieurs micromètres, ce qui assure une absorption maximale de la lumière infrarouge.
Une diminution du volume de semi-conducteur présent dans le photodétecteur permet également de réduire le courant d'obscurité. Diminuer l'épaisseur de la couche de semi-conducteur a d'autres avantages : réduire le coût des matériaux et augmenter la vitesse de détection.
Cependant, cette diminution d'épaisseur de la couche de semiconducteur entraîne une diminution de l'efficacité quantique du photodétecteur, ce qui n'est pas souhaitable, car cette diminution de rendement induit une diminution du rapport signal sur bruit.
C'est pourquoi, il est classique d'associer au photodétecteur une structure de concentration de photons, afin de compenser la perte de l'efficacité quantique du photodétecteur et donc, de pouvoir bénéficier de la diminution du courant d'obscurité pour obtenir le bon rapport signal sur bruit.
Cette structure peut notamment prendre la forme d'un miroir métallique structuré qui est placé sur la face arrière d'une couche semi- conductrice absorbante, de façon à obtenir un renforcement de l'absorption dans cette couche semi-conductrice.
Un tel miroir peut notamment être utilisé dans des détecteurs à puits quantiques, dans la gamme spectrale du moyen et lointain infrarouge. Référence est faite à l'article de K.W. Goossen et al, Appl. Phys. Lett. 53,
19 septembre 1988, 1027. Cet article décrit un détecteur comprenant un empilement de couches formant des puits quantiques. En incidence normale au détecteur, ce dernier n'est pas absorbant. Le miroir permet de réfléchir l'onde incidente avec un angle de façon à ce qu'elle soit absorbée par au moins un puits quantique. Un tel miroir a également été proposé pour l'amélioration du rendement de cellules solaires en couches minces de Si amorphe, dans le visible et proche infrarouge.
Dans tous les cas, un miroir métallique structuré permet de coupler par diffraction la radiation incidente à la couche absorbante de semi- conducteur.
Ainsi, le miroir métallique peut être structuré sous la forme d'un réseau bidimensionnel, notamment un réseau de plots dans des configurations diverses, par exemple plots carrés en réseau carré ou plots ronds en réseau carré ou hexagonal.
Les caractéristiques géométriques de ces réseaux ont fait l'objet d'optimisation, concernant l'efficacité du renforcement de l'absorption.
Ainsi, certaines références prévoient que la hauteur des plots ou des trous du miroir utilisé est de l'ordre d'un quart de la longueur d'onde d'utilisation, pour optimiser l'absorption des puits quantiques. On peut notamment citer le document WO 2005/081782 ou encore l'article de J.Y. Andersson et al, Appl. Phys. Lett. 59, 12 août 1991 , 857.
Ceci conduit à un miroir d'épaisseur importante, lorsque le photodétecteur est utilisé dans l'infrarouge.
Ainsi, avec un matériau enrobant les structurations du réseau dont l'indice est de 2,5, les structurations présenteront une profondeur d'environ 400 nm pour une longueur d'onde de 4 pm. Ceci conduit à des miroirs d'épaisseur de l'ordre de 500 nm, l'épaisseur étant comptée entre le fond du miroir et le sommet des structurations.
Cette épaisseur importante peut poser un certain nombre de difficultés technologiques de réalisation.
II est par exemple difficile de structurer de telles épaisseurs d'un matériau métallique en raison, par exemple, de problèmes de dépôt sur les flancs de résine dans les procédés dits de lift off, de remplissage de cavités profondes, ou de gravure de métaux nobles tels que l'or, mettant en œuvre des procédés à base de plasma à hautes températures, typiquement des températures supérieures à 200° C.
Certaines références prévoient l'utilisation de structurations plus fines, avec des trous d'une profondeur de 200 nm pour une longueur d'onde de 10 μιη, cette structuration permettant de renforcer l'absorption dans un détecteur à puits quantiques. C'est le cas de l'article de K.W. Goossen précédemment cité et de l'article de Cui Dafu et al, Infrared Phys. 32 (1991 ) 53.
Cependant, l'efficacité quantique de ces photodétecteurs, comme celle des photodétecteurs mentionnés précédemment, dépend considérablement de l'angle de la lumière incidente sur le photodétecteur. Ainsi, le spectre d'absorption de la couche de semi-conducteur présente dans le photodétecteur révèle un pic de résonance de l'absorption qui est fonction de l'angle de la lumière incidente. On constate qu'avec les miroirs connus, la position et la forme du pic d'absorption varient de manière importante avec l'angle d'incidence de l'onde sur le détecteur.
Ainsi, l'article de Cui Dafu et al, précédemment cité, montre une dépendance angulaire de l'efficacité quantique qui est très marquée : elle est de l'ordre de 0.1° dans le substrat et de 0.3° dans le milieu incident (air). Par ailleurs, l'article de Andersson et al, J. Appl. Phys. 171 (1992) 3600 tend à montrer une réponse angulaire très large avec une insensibilité jusqu'à au moins 15°. Cependant, c'est l'efficacité quantique intégrée sur la gamme spectrale de 8 à 12 m qui est considérée, et non l'efficacité quantique à une longueur d'onde donnée en fonction de l'angle d'incidence. Or, cette dernière est plus difficile à obtenir. Elle est intéressante car elle permet d'envisager une détection hyperspectrale, c'est-à-dire la détection de plusieurs longueurs d'onde au sein d'une même gamme de détection (par exemple 4 « couleurs » différentes dans la même gamme 8-12 Mm) sans que les couleurs se mélangent lorsque la radiation arrive selon un angle d'incidence.
L'invention a pour objet de pallier les inconvénients des photodétecteurs de l'état de la technique en proposant un photodétecteur comprenant une couche mince de semi-conducteur et un miroir métallique structuré et qui présente une sensibilité réduite à l'angle d'incidence de la radiation lumineuse infrarouge utilisée, tout en maintenant l'efficacité quantique d'absorption de cette radiation lumineuse, mesurée par exemple comme le rapport entre la puissance lumineuse absorbée dans le semiconducteur et la puissance lumineuse incidente.
Ainsi, l'invention concerne un photodétecteur pour une radiation lumineuse de longueur d'onde donnée (λ) comprenant un empilement de couches avec :
- une couche d'un matériau semi-conducteur partiellement absorbant à ladite longueur d'onde,
- une couche d'espacement en un matériau transparent à ladite longueur d'onde, et
- un miroir métallique structuré, la distance (g) entre le sommet dudit miroir et ladite couche d'espacement étant inférieure à λ et ledit miroir présentant un réseau de trous définissant un réseau de reliefs métalliques, avec un pas P compris entre 0,5 λ/nSC et 1 ,5 λ/nSC où nSC est la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur, une largeur L de relief comprise entre 9P/10 et P/2 et une profondeur h de trou comprise entre λ/100 et λ/15.
Un tel photodétecteur présente une plus faible sensibilité angulaire et la largeur spectrale de la résonance est augmentée.
Par ailleurs, ce photodétecteur permet d'envisager la réalisation plus facile de matrices de pixels sensibles à des longueurs d'onde différentes (détection multispectrale). Ceci résulte notamment :
• d'une robustesse aux variations géométriques, notamment en ce qui concerne le facteur de remplissage du réseau, l'effet étant observé dans une large gamme de largeurs de plots,
· d'une structuration de hauteur faible, technologiquement facile à réaliser et dont la valeur optimale varie très peu avec la longueur d'onde,
• de la possibilité d'ajuster la longueur d'onde de résonance (ie de renforcement d'absorption) via une dimension latérale du réseau (ici le pas du réseau principalement) et non par l'épaisseur des couches.
Enfin, aucune structuration de la couche de semi-conducteur n'est nécessaire.
De façon préférée, l'épaisseur e de la couche de matériau semi- λ
conducteur satisfait à la relation e≤o,7 x - — - ; où kSC est la partie
2 x π x kSC
imaginaire de l'indice de réfraction dudit matériau semi-conducteur.
Pour un photodétecteur comportant un miroir structuré en deux dimensions, le pas P est de préférence compris entre 3P/4 et 9P/10.
Dans une première variante, le réseau dudit miroir présente un faisceau de lignes en creux.
Dans une autre variante, ce réseau présente deux faisceaux croisés de lignes en creux parallèles. Elles peuvent également être parallèles ou non aux bords du photodétecteur.
De façon préférée, le matériau semi-conducteur est choisi parmi Si, Ge, SiGe, InAs, InSb, GaSb, PbS, PbSe, PbTe ou CdxHg -xTe (avec x<0,9), des alliages ternaires comme InGaAs, AlInAs, AlInSb, InAsSb ou InGaSb, des alliages quaternaires comme InGaAsP ou InGaAsSb et des alliages quinaires comme GalnAsSb ou GalnAsSbP, ou encore un superréseau de type II, par exemple InAs/InSb sur GaSb.
Par ailleurs, le matériau de la couche d'espacement est choisi parmi l'air, ZnS, CdTe, S1O2 ou des matériaux lll-V.
II sera choisi de manière à être non absorbant et tel que la partie réelle de son indice soit inférieure à la partie réelle de l'indice du semi- conducteur absorbant. Des matériaux à gap plus grand que celui du semiconducteur absorbant satisferont généralement à ces conditions.
De façon avantageuse, la couche d'espacement présente une épaisseur d'au moins 10 nm, pour pouvoir remplir une fonction de barrière de diffusion.
De préférence, la distance g est inférieure à λ/50.
Enfin, le photodétecteur peut comporter sur ladite couche de matériau semi-conducteur, un substrat transparent à ladite longueur d'onde.
Ce substrat pourra par exemple être le substrat de croissance de la couche de semi-conducteur absorbante, par exemple un substrat de CdZnTe dans le cas où l'on veut faire croître une couche de CdHgTe. Le substrat pourra aussi contribuer à la cohésion mécanique du photodétecteur final.
De façon préférée, ce substrat transparent est réalisé dans un matériau dont l'indice est supérieur à celui de l'air.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de photodétecteur selon l'invention,
- la figure 2 est une courbe montrant, dans un exemple de photodétecteur à une dimension selon l'invention, l'efficacité quantique du photodétecteur en fonction de la longueur d'onde pour une lumière incidente perpendiculaire au photodétecteur,
- la figure 3 présente un réseau de courbes similaires à celles de la figure 2 correspondant à différents angles d'incidence,
- la figure 4 présente quatre courbes représentant l'efficacité quantique d'un photodétecteur selon l'invention, en fonction de l'angle d'incidence, pour différentes valeurs du paramètre g. - la figure 5 illustre un autre exemple de réalisation du photodétecteur selon l'invention,
- la figure 6 présente un réseau de courbes montrant, en fonction de la longueur d'onde et pour plusieurs angles d'incidence de la lumière incidente, l'efficacité quantique d'un autre exemple de photodétecteur à une dimension comportant un substrat transparent,
- la figure 7 présente un réseau de courbes similaires à celles de la figure 6 et pour un photodétecteur ne comportant pas de substrat transparent,
- les figures 8a et 8b sont chacune une courbe montrant, en fonction de la longueur d'onde, l'efficacité quantique de deux photodétecteurs selon l'invention comportant un miroir structuré en deux dimensions et pour une lumière incidente perpendiculaire au photodétecteur, et
- la figure 9 comporte cinq courbes représentant l'efficacité quantique d'un photodétecteur selon l'angle d'incidence, pour différentes valeurs de la largeur L des reliefs et de la profondeur h de trou.
La figure 1 illustre un exemple d'un photodétecteur 1 selon l'invention.
Ce photodétecteur comporte un empilement de couches, illustré en coupe sur la figure 1 avec tout d'abord un substrat 10 qui est transparent à la longueur d'onde λ de la radiation lumineuse utilisée.
Les flèches F illustrent la propagation de la radiation lumineuse incidente au niveau de la face avant 100 du photodétecteur.
La radiation lumineuse se propage à l'intérieur du substrat 10, en subissant un phénomène de réfraction au passage de l'interface air-substrat, induisant une modification de son angle d'incidence selon la loi de Snell- Descartes. Le substrat étant d'indice supérieur à celui de l'air, l'angle d'incidence dans le substrat sera plus faible que l'angle d'incidence dans l'air. Ce substrat jouera le rôle de substrat de croissance du semi-conducteur, ou bien d'élément assurant la cohésion mécanique du photodétecteur.
Ce substrat transparent peut être réalisé en CdZnTe.
En contact avec le substrat transparent 10, est prévue une couche 11 d'un matériau semi-conducteur.
Ce substrat transparent peut être omis dans d'autres modes de réalisation du photodétecteur selon l'invention.
Dans ce cas, le fait que la couche de semi-conducteur soit à nu diminue la durée de vie du dispositif photodétecteur, ou bien encore induit une forte recombinaison des porteurs photogénérés à la surface de cette couche et donc une diminution de rendement de collection des charges photogénérées.
Pour pallier ce problème, une couche de passivation électrique pourra alors être prévue sur la couche 11. Cette couche devra être suffisamment fine pour ne pas influer sur les caractéristiques optiques du dispositif (typiquement on la choisira petite devant la longueur d'onde). Il peut, par exemple, s'agir d'une couche de CdTe recouverte d'une couche de ZnS, toutes deux présentant une épaisseur d'environ 100 nm.
Le matériau semi-conducteur ainsi que son épaisseur sont choisis pour qu'il soit partiellement absorbant.
L'épaisseur e de cette couche de matériau semi-conducteur est choisie de telle sorte que la couche 11 de semi-conducteur n'est pas totalement absorbante. Elle pourra avantageusement répondre à la relation (1) suivante :
e≤0,7x (1 ) où kSC est la partie imaginaire de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur.
Ce matériau pourra être choisi parmi les matériaux suivants : Si, Ge, SiGe, InAs, InSb, GaSb, PbS, PbSe, PbTe ou CdxHg -xTe (avec x<0,9), des alliages ternaires comme InGaAs, AlInAs, AlInSb, InAsSb ou InGaSb, des alliages quaternaires comme InGaAsP ou InGaAsSb et des alliages quinaires comme GalnAsSb ou GalnAsSbP, ou encore un superréseau de type II, par exemple InAs/InSb sur GaSb.
Il convient de noter que le type de dopage et sa concentration sont indifférents dans le cadre de l'invention. En effet, l'aspect photonique de génération des porteurs est indépendant de la collection de ces porteurs. On pourra donc utiliser tout système de collection classique de l'art antérieur.
L'empilement comporte encore un miroir métallique 13 et, entre la couche de semi-conducteur 11 et le miroir 13, une couche d'espacement 12.
Dans l'exemple illustré sur la figure 1 , le miroir comporte, sur sa surface 130, en contact avec la couche d'espacement 12, une série de reliefs 131. Dans ce cas, le sommet du miroir 13 correspond au sommet du relief 131 le plus élevé.
Ainsi, la distance g entre le sommet du miroir 13 et la couche de semi-conducteur 11 est choisie inférieure à la longueur d'onde λ de la radiation lumineuse utilisée.
La structuration du miroir 13 induit un mode guidé parallèle à la couche 11 de semi-conducteur avec un champ électrique évanescent qui est maximal au sommet du miroir et qui décroit vers le substrat 10. Dans une configuration dite de champ proche, la couche absorbante 11 est placée suffisamment proche du miroir pour être dans cette région de renforcement du champ électromagnétique. Ceci correspond à une distance g de la surface du miroir inférieure à λ.
Il sera également montré dans la suite de la description quelle est l'influence de la valeur de cette distance g sur la sensibilité angulaire du photodétecteur.
Cette couche d'espacement 12 est réalisée dans un matériau transparent à la longueur d'onde de la radiation lumineuse utilisée.
Ce matériau peut être de l'air ou encore : ZnS, CdTe, des matériaux lll-V suivant le groupe auquel appartient le semi-conducteur absorbant. On peut également envisager du SiO2, si le matériau semiconducteur utilisé est du Ge ou du SiGe. De préférence, la distance g est inférieure à λ/ne, où λ est la longueur d'onde de la radiation lumineuse utilisée et où ne est l'indice optique du matériau de la couche d'espacement 12.
Comme l'illustre la figure 5, cette distance g peut être sensiblement nulle.
On va maintenant s'intéresser à la structuration du miroir 13, sur sa surface 130.
Tout d'abord, cette structuration peut être réalisée en une ou deux dimension(s).
Dans le cas d'une structuration en une dimension, les reliefs 131 s'étendent, sur la surface 130, selon des lignes sensiblement parallèles. En d'autres termes, le réseau du miroir est défini par un faisceau de lignes en creux ou en relief.
Pour un miroir de ce type, la résonance de l'absorption sera donc générée uniquement en polarisation TM, c'est-à-dire pour un champ magnétique de la radiation lumineuse incidente parallèle aux lignes du réseau.
La structuration peut également être prévue en deux dimensions, de façon à rendre le photodétecteur indépendant de la polarisation.
La structuration consiste alors en un réseau de reliefs en forme de plots, par exemple un réseau carré de plots ronds ou carrés, ou encore un réseau hexagonal de plots ronds.
De façon générale, ce réseau présente alors deux faisceaux croisés de lignes parallèles, en creux.
Par ailleurs, ces lignes peuvent être parallèles ou non aux bords du photodétecteur.
Un autre mode de réalisation, dans lequel la structuration ne consiste pas en des plots en relief sur la surface 130 mais en des trous formés à partir de cette surface, ne convient pas dans le cadre de l'invention.
Les matériaux pouvant être utilisés pour réaliser le miroir 13 sont les métaux nobles tels que l'or, l'aluminium et le cuivre ainsi que tous les métaux dans la mesure où leur conductivité n'est pas plus de vingt fois inférieure à celle de l'or.
Les structurations pourront inclure une couche mince de métal servant à assurer l'accroche du métal précédent sur la couche d'espacement 12, par exemple du titane Ti.
Il a été mis en évidence que, pour obtenir un photodétecteur présentant une faible sensibilité angulaire, il convenait également de choisir de façon adaptée le pas P du miroir, c'est-à-dire la distance entre deux reliefs 131 consécutifs, ainsi que la largeur latérale L et la hauteur h des reliefs.
En effet, un autre couplage en jeu est le couplage de la lumière incidente avec la paire de modes couplés et guidés parallèlement au plan de la couche de semi-conducteur, obtenu grâce au réseau formé sur le miroir. La force de ce dernier couplage sera quant à elle déterminée par la forme du réseau (période ou pas P, facteur de remplissage L/P et profondeur h des structurations). Il est préférable pour l'invention que ce couplage par réseau soit fort, afin d'obtenir une forte efficacité quantique de détection. La période du réseau fixe le couple (longueur d'onde, angle d'incidence) du pic de résonance.
Le pas ou la période P de la structuration permet d'ajuster la longueur d'onde de résonance Ars, suivant la relation (2) approchée : Ars=nSC.P,
où nSC est la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur absorbant.
Ainsi, le pas P sera choisi compris dans la gamme 0,5A/nSC et
1 ,5A/nSC, où λ est la longueur d'onde de résonnance souhaitée.
De plus, la largeur L des reliefs sera choisie entre 9P/10 et P/2. Enfin, la profondeur de la structuration du miroir, c'est-à-dire la hauteur h des reliefs 131 ou encore la profondeur des trous, sera comprise entre λ/15 et λ/100 et elle sera choisie typiquement sensiblement égale à λ/50. De façon générale, cette hauteur h sera ajustée en fonction de l'épaisseur e de la couche 11 du semi-conducteur et de l'indice optique de la couche d'espacement 12.
Ces gammes du pas P, de la largeur latérale L des reliefs et de la profondeur h des trous permettent de réduire la sensibilité angulaire du photodétecteur. Ceci sera illustré en référence à la figure 9.
Un exemple particulier de réalisation d'un photodétecteur tel qu'illustré à la figure 1 va maintenant être décrit.
L'influence des différents paramètres mentionnés ci-dessus va être mise en évidence avec cet exemple particulier, comportant un miroir structuré en une dimension.
Ainsi, le photodétecteur considéré comporte une couche de substrat transparent en CdZnTe et une couche de semi-conducteur du type tellurure cadmium mercure (MCT), de formule générale HgxCdi-xTe, avec x=0.3.
La longueur d'onde λ de la radiation lumineuse incidente est comprise entre 3 et 5 μιτι. Par ailleurs, la partie imaginaire de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur est de l'ordre de 0,2 pour une longueur d'onde de 4 pm. Ainsi, la relation (1 ) conduit à une épaisseur de la couche de semi-conducteur inférieure à environ 2 μιτι.
Dans cet exemple particulier, l'épaisseur de la couche de semiconducteur sera choisie égale à 400 nm.
La couche de matériau d'espacement est réalisée en ZnS.
Le miroir métallique est réalisé en or et la distance g entre le miroir métallique et la couche d'espacement est égale à 50 nm. Elle est donc comprise entre λ/100 et λ/60, pour la gamme de longueur d'onde retenue.
Par ailleurs, l'épaisseur entre la surface 130, correspondant au fond des structurations, et le fond du miroir, correspondant à la surface 132 opposée à la surface 130, est au moins égale à l'épaisseur de peau à la longueur d'onde considérée. Cette dernière sera de l'ordre de 25 nm pour un miroir en or à une longueur d'onde de 4 pm. Le pas du réseau est choisi égal à 1450 nm et la largeur L des lignes métalliques est choisie égale à 800 nm. Ainsi, P est bien situé dans la gamme 0,5A/nSC et 1 ,δλ/nSC, pour la gamme de longueur d'onde retenue. D'autre part, L est choisie sensiblement égale à 0,55 P.
Enfin, la profondeur de la structuration du miroir, c'est-à-dire la hauteur h, est de 125 nm. Elle est donc comprise entre Λ/40 et λ/24 pour la gamme de longueur d'onde considérée.
La figure 2 illustre pour, cet exemple de photodétecteur, l'efficacité quantique du photodétecteur (c'est-à-dire le rapport entre la puissance absorbée et la puissance incidente ou encore le rapport entre le nombre de paires électron-trou effectivement générées par absorption dans la couche de semi-conducteur et le nombre de photons incidents) en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), pour une lumière incidente perpendiculaire au photodétecteur de polarisation TM et pour une température de fonctionnement de 77 K.
Cette couche d'absorption fait apparaître un pic de résonance, fonction de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde de résonance, qui est ici d'environ 4,44 μιη.
Cette courbe montre que l'absorption optique dans la couche de semi-conducteur est d'environ 70 % de la puissance incidente pour la longueur d'onde de résonance.
En l'absence de structuration du miroir, cette absorption serait seulement de 25 % de la puissance incidente.
Il convient de noter que la valeur du pas P permet de régler la longueur d'onde de résonance. Ainsi, dans l'exemple considéré, une variation de P comprise entre 1 ,015 μιτι et 1 ,6 μιη permet de faire varier la longueur d'onde de résonance entre 3,6 et 4,8 pm.
En pratique, la longueur d'onde de résonance est ajustée grâce aux paramètres géométriques de la structure, tels que la nature et les épaisseurs des matériaux mis en contact avec la couche de semi-conducteur, le métal constituant le miroir structuré, l'épaisseur de la couche de semiconducteur ou la valeur de g. Cependant, les variations de ces paramètres sont du deuxième ordre sur l'ajustement de la longueur d'onde de résonance, par rapport au choix de P.
La figure 9 permet d'illustrer l'influence de la largeur latérale L des reliefs et de la profondeur de trou h sur la sensibilité angulaire du photodétecteur.
Les différentes courbes R-i à R5 donnent l'efficacité quantique du photodétecteur en fonction de l'angle d'incidence sur la couche de semiconducteur.
La courbe f¾ correspond au photodétecteur pris en référence pour les figures 2 et 3. Le rapport L/P est égal à 0,55 et h est égale à 125 nm. Ces deux valeurs sont dans les gammes retenues.
Les autres courbes correspondent à un photodétecteur présentant les mêmes caractéristiques, sauf celle concernant la largeur L et éventuellement la hauteur h.
Ainsi, la courbe Ri correspond à un photodétecteur pour lequel L est égale à 1000 nm et h est égale à 125 nm. Le rapport L/P est de 0,69. Il est bien situé dans la gamme retenue, comme h.
On constate que la sensibilité angulaire de ce photodétecteur est sensiblement identique à celle du photodétecteur correspondant à la courbe R2.
La courbe R3 correspond à un photodétecteur pour lequel L est égale à 600 nm et h est égale à 170 nm. Le rapport L/P est de 0,41 et n'est pas dans la gamme retenue, contrairement à h.
La courbe R4 correspond à un photodétecteur pour lequel L est égale à 350 nm et h est égale à 600 nm. Le rapport L/P est de 0,24. Ce rapport, comme h, ne sont pas dans les gammes retenues.
Enfin, la courbe R5 correspond à un photodétecteur pour lequel L est égale à 700 nm et h est égale à 700 nm. Le rapport L/P est de 0,48. Ce rapport et h ne sont pas non plus dans les gammes retenues.
Ainsi, pour toutes les courbes R3 à R5, le rapport L/P n'est pas dans la gamme retenue 9P/10 - P/2 et, pour les courbes R4 et R5l h n'est pas non plus dans la gamme retenue λ/100 - λ/15. La comparaison entre les courbes Ri et F¾ d'une part, et R3, R4 et R5 d'autre part, montre que l'efficacité quantique du photodétecteur est invariante pour une gamme de l'angle d'incidence qui diminue de manière très importante lorsque le rapport L/P est inférieur à 0,5 et/ou que la valeur de h est supérieure à λ/15.
Il est maintenant fait référence à la figure 3 qui illustre un réseau de courbes similaires à celle de la figure 2 et correspondant à des angles d'incidence variant entre 0 et 4°. Ces courbes ont été obtenues avec un photodétecteur identique à l'exemple décrit ci-dessus et correspondant à la figure 2.
Ainsi, la courbe Ci en trait plein correspond à la courbe illustrée à la figure 2. La radiation lumineuse est donc perpendiculaire à la surface du photodétecteur.
La courbe C2 correspond également à une courbe montrant l'efficacité quantique du photodétecteur en fonction de la longueur d'onde, mais pour une lumière incidente sur la couche 11 faisant un angle de 1° par rapport à la normale.
De même, la courbe C3 correspond à une variation de l'angle d'incidence de 2°, la courbe C4 à une variation de 3° et la courbe C5 à une variation de 4°.
Ce faisceau de courbes montre que l'efficacité quantique du photodétecteur ne varie pas en fonction de l'angle d'incidence, si cette variation est de ± 1 ,5° dans le substrat transparent 10, ce qui correspond à une variation de ± 4° dans l'air.
Suivant un autre critère de la sensibilité à l'angle d'incidence pour une longueur d'onde donnée, par exemple 4,4 μητι, la réponse du détecteur est divisée sensiblement par deux pour une variation de l'angle d'incidence supérieure à ± 4° dans le substrat 10, soit ± 10° dans l'air.
En référence aux figures 6 et 7, vont maintenant être comparées les sensibilités angulaires d'un photodétecteur comportant un substrat transparent 10 en CdZnTe (figure 6) et d'un photodétecteur ne comportant pas de substrat transparent (figure 7). Dans les deux cas, les photodétecteurs sont à une dimension et comportent une couche de semi-conducteur MCT dont l'épaisseur est de 400 nm.
Le miroir métallique est réalisé en or, la hauteur des reliefs est de 125 nm pour le photodétecteur comportant un substrat de CdZnTe et de 225 nm pour celui qui n'en comporte pas.
Par ailleurs, l'épaisseur entre le fond des structurations et le fond du miroir sera par exemple de 100 nm. Elle est ici supérieure à l'épaisseur de peau du métal à la longueur d'onde considérée, qui est de 25 nm pour l'or.
La distance g entre le miroir métallique et la couche d'espacement est de 50 nm.
Par ailleurs, le pas P du réseau est choisi égal à 1450 nm et la largeur L des reliefs ou lignes est choisie égale à 1000 nm.
Sur la figure 6, la courbe C'i en trait plein illustre l'efficacité quantique du photodétecteur avec substrat en CdZnTe en fonction de la longueur d'onde, pour une radiation lumineuse perpendiculaire à la surface du photodétecteur et pour une température de fonctionnement de 77K.
La courbe C2 est une courbe similaire pour un angle d'incidence de 1 °.
Les courbes C'3 et C'4 correspondent respectivement à une variation de l'angle d'incidence de 2° et de 3° par rapport à la perpendiculaire à la surface du photodétecteur.
Sur la figure 7, la courbe K1 en trait plein illustre l'efficacité quantique du photodétecteur sans substrat, en fonction de la longueur d'onde, pour une radiation lumineuse perpendiculaire à la surface du photodétecteur et pour la même température de fonctionnement.
Les courbes K2 à K5 sont des courbes similaires correspondant respectivement à une variation de l'angle d'incidence de 5°, 10°, 15° et 20°, par rapport à la perpendiculaire à la surface du photodétecteur.
La comparaison entre les deux faisceaux de courbes Ci à C'4 et
Ki à K5 montre que le photodétecteur sans substrat est moins sensible à l'angle d'incidence de la radiation lumineuse que le photodétecteur qui comporte un substrat en CdZnTe.
En effet, la réponse du photodétecteur varie sensiblement dans la même mesure pour une variation de l'angle d'incidence comprise entre 0° et 15° pour le photodétecteur sans substrat et entre 0° et 2° pour le photodétecteur avec substrat (ce qui correspond à une variation comprise entre 0° et 5° dans l'air présent au-dessus du substrat).
Le photodétecteur avec substrat transparent présente cependant l'avantage d'être plus robuste mécaniquement.
On se réfère maintenant à la figure 4 qui montre plusieurs courbes permettant de comparer l'efficacité quantique du photodétecteur, en fonction de l'angle d'incidence sur la couche de semi-conducteur, pour différentes valeurs du paramètre g.
Le photodétecteur considéré présente les mêmes caractéristiques que celui pris en référence pour les figures 2 et 3, en ce qui concerne les valeurs de e, P et L/P.
La valeur de h retenue est ici comprise entre 125 et 150 nm.
Par contre, le paramètre g est ici modifié dans chacun des photodétecteurs considérés.
Ainsi, la courbe Gi correspond à un photodétecteur pour lequel g est égal 10 nm. Pour la courbe G2, g est égal à 50 nm, pour la courbe G3, g est égal à 160 nm et pour la courbe G4, g est égal à 300 nm.
Ainsi, la courbe G2 correspond à celle qui est obtenue avec le photodétecteur décrit précédemment et auquel sont associées les figures 2 et 3. Elle correspond à la courbe F¾ de la figure 9.
Toutes ces courbes sont obtenues pour une longueur d'onde de la radiation lumineuse incidente égale à la longueur d'onde de résonance qui varie de 4,05 à 4,65 pm, à mesure que g diminue.
La comparaison entre les courbes d à G4 montre qu'à la longueur d'onde de résonance, l'efficacité quantique du photodétecteur est invariante pour une gamme de variations de l'angle d'incidence qui diminue depuis la courbe G1 jusqu'à la courbe G4. Ainsi, on peut considérer que, pour un détecteur présentant une valeur de g égale à 10 nm, sa réponse est invariante pour une variation de l'angle d'incidence de ± 2°.
Pour un détecteur présentant une valeur de g égale à 300 nm, la réponse du détecteur restera insensible à une variation de l'angle d'incidence de seulement ± environ 0,3°.
Les courbes Gi et G4 montrent donc qu'il est possible de gagner un facteur 6 sur la sensibilité angulaire.
On peut considérer que la performance du photodétecteur, c'est- à-dire sa sensibilité angulaire, est déterminée par la largeur de la courbe absorption-angle à mi-hauteur de la courbe.
A titre indicatif, cette performance peut être considérée comme bonne lorsque la largeur de la courbe correspond à une amplitude angulaire d'environ 5°.
Sur la base des données de la figure 4, et par extrapolation, ceci correspondrait à une valeur de g de l'ordre de 80 nm, soit environ λ/50.
On va maintenant s'intéresser à un photodétecteur comportant un miroir structuré en deux dimensions.
Les différents paramètres du réseau de plots seront dans les gammes définies précédemment.
Cependant, il est apparu que pour obtenir, dans la courbe d'efficacité quantique du photodétecteur en fonction de la longueur d'onde, un seul pic de résonance, il est préférable de prévoir une largeur L comprise entre 9P/10 et 3P/4 et, de préférence, égale à 4P/5, afin d'optimiser le compromis entre efficacité quantique maximale du détecteur et faible intensité de la résonance secondaire à faible longueur d'onde.
Ceci ressort notamment des figures 8a et 8b.
La figure 8a est une courbe montrant l'efficacité quantique du photodétecteur en fonction de la longueur d'onde pour un photodétecteur selon l'invention présentant un miroir en or structuré en deux dimensions.
Ses caractéristiques sont identiques à celles du photodétecteur décrit en référence à la figure 1 et utilisé pour les figures 2 et 3 (épaisseur de la couche de MCT égale à 400 nm ; g = 50 nm ; h = 125 nm), le matériau est du ZnS et le substrat du CdZnTe, et le miroir comporte des plots de forme carrée avec une largeur L de 1200 nm et un pas P de 1450 nm.
La figure 8b est la courbe correspondante pour un photodétecteur identique à celui utilisé pour la figure 8a, sauf en ce qui concerne la largeur L des plots qui est ici de 800 nm.
La comparaison entre les figures 8a et 8b montre que le photodétecteur présentant une largeur L sensiblement également à 4P/5 (figure 8a) permet d'obtenir un seul pic de résonance, contrairement au photodétecteur présentant une largeur L sensiblement égale à P/2 (figure 8b).
Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Photodétecteur pour une radiation lumineuse infrarouge d'une longueur d'onde donnée (λ) comprenant un empilement de couches avec : - une couche (1 1 ) d'un matériau semi-conducteur partiellement absorbant,
- une couche (12) d'espacement en un matériau transparent à ladite longueur d'onde, et
- un miroir métallique structuré (13), la distance (g) entre le sommet dudit miroir et ladite couche d'espacement étant inférieure à λ et ledit miroir présentant un réseau de trous définissant un réseau de reliefs métalliques avec un pas P compris entre 0,5 λ nSC et 1 ,5 λ/nSC, où nSC est la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi-conducteur, une largeur L de relief comprise entre 9P/10 et P/2 et une profondeur h de trou comprise entre λ/100 et λ/15.
2. Photodétecteur selon la revendication 1 , dans lequel l'épaisseur (e) de la couche (1 1 ) de matériau semi-conducteur satisfait à la
λ
relation e<o,7 x - — ; où kSC est la partie imaginaire de l'indice de réfraction dudit matériau semi-conducteur.
3. Photodétecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réseau dudit miroir (13) présente un faisceau de lignes en creux.
4. Photodétecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réseau dudit miroir (13) présente deux faisceaux croisés de lignes en creux et parallèles.
5. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 4, comportant un miroir structuré en deux dimensions, dans lequel le pas P est supérieur à 3P/4.
6. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau semi-conducteur est choisi parmi Si, Ge, SiGe, InAs, InSb, GaSb, PbS, PbSe, PbTe ou CdxHgi-xTe (avec x<0,9), des alliages ternaires comme InGaAs, AlInAs, AlInSb, InAsSb ou InGaSb, des alliages quaternaires comme InGaAsP ou InGaAsSb et des alliages quinaires comme GaInAsSb ou GalnAsSbP, ou encore un superréseau de type II.
7. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le matériau de la couche d'espacement (12) est choisi parmi l'air, ZnS, CdTe, Si02 ou des matériaux lll-V.
8. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche d'espacement (12) présente une épaisseur d'au moins 10 nm.
9. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 8, comportant, sur ladite couche (11 ) de matériau semi-conducteur, un substrat (10) transparent à ladite longueur d'onde.
10. Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ladite distance g est inférieure à λ/50.
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