WO2022135831A1 - ARCHITECTURE DE SUPER-RESEAUX InGaAS/GaAsSb SUR SUBSTRAT InP. - Google Patents

ARCHITECTURE DE SUPER-RESEAUX InGaAS/GaAsSb SUR SUBSTRAT InP. Download PDF

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WO2022135831A1
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layer
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semiconductor material
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PCT/EP2021/083179
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Axel EVIRGEN
Jean-Luc Reverchon
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Lynred
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Definitions

  • the present invention relates to the field of imaging for infrared (IR) and in particular a radiation detector or photodetector made with hetero-structures based on semiconductor materials of the III-V type. . More particularly, the invention relates to a device for imaging in the short infrared (SWIR) at non-cryogenic temperatures.
  • IR infrared
  • SWIR short infrared
  • Imagers operating in the infrared range are generally formed by assembling a matrix comprising a plurality of elementary pixels based on photodiodes transforming a flux of incident photons into photogenerated charge carriers, and a reading circuit commonly referred to as ROIC for "Read Out Integrated Circuit" in English to process the electrical signal from the pixels of the detector.
  • ROIC Read Out Integrated Circuit
  • quantum efficiency of a semiconductor-based infrared detector is understood to mean the ratio of the number of electron/hole pairs generated by photoelectric effect to the number of photons passing through the structure of a pixel belonging to the detector of infrared radiation.
  • the quantum efficiency depends on the absorption coefficient and the scattering length in the pixel structure along the pixel axis.
  • the absorption coefficient depends on the materials used to produce the pixel structure.
  • the diffusion coefficient is inversely proportional to the effective mass of the positive (holes) and negative (electron) charge carriers along the pixel axis.
  • the quantum efficiency is a fundamental technical characteristic which determines the electro-optical performance of an infrared detector.
  • the invention proposes to solve a technical problem in this field consisting in designing a matrix detector operating in the near infrared with a cut-off wavelength greater than 2 ⁇ m by improving the quantum efficiency of the detector compared to state-of-the-art solutions.
  • Figure 1 a illustrates a perspective view of an example of a pixel belonging to an infrared radiation matrix detector operating in the infrared frequency domain.
  • the illustration is limited to a single pixel Pxl for the sake of simplification but it does not exclude the integration of the pixel in a matrix comprising a plurality of juxtaposed pixels.
  • the Pxl pixel of an infrared detector is produced by a stack of layers of semiconductor materials forming the structure of the pixel on a SUB substrate.
  • the axis of pixel A is the axis perpendicular to the horizontal plane (x,y) formed by the upper surface of the SUB substrate.
  • Substrate SUB is made of a bulk semiconductor material of III-V type for example. The choice of the material of the SUB substrate is important because it determines the technology of the steps of the manufacturing process of the device but also the technical characteristics (optical, electrical, mechanical, etc.) of the matrix detector.
  • the pixel Pxl comprises the following layers, starting from the substrate, in the direction of the axis of the pixel A: a lower contact structure CONT_NF, an absorbing planar structure SPA and an upper contact structure CONT_SUP.
  • the lower contact structure CONTJNF is made of solid N+ doped semiconductor material and has a maximum energy level of the valence band lower than the maximum energy level of the valence band of the absorbing planar structure SPA .
  • the material constituting the lower contact structure is of the III-V type such as, by way of example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • the lower contact CONTJNF can also be made with hetero-structures obtained by stacking a plurality of thin layers of semi-conductor materials, preferably of III-V type such as, for example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • the lower contact structure CONTJNF constitutes, by way of example, an N+ doped superlattice exhibiting a large energy gap value.
  • the planar absorbing structure SPA is made of solid N- doped semi-conductor material (or a heterostructure of the superlattice type) having an energy gap value less than or equal to that of the lower contact structure.
  • the characteristics of the band diagram of the absorbing planar structure SPA (valence band, conduction band, gap energy) are intrinsic in the case of a bulk material, or effective resulting from the combination of the different thin layers in the case of a supernet.
  • the absorbing planar structure SPA converts the flux of incident photons with a wavelength ⁇ into carriers of negative charges "electrons" in the conduction band (intrinsic or effective) of the structure SPA and of positive charges "holes” in the valence band (intrinsic or effective) of the SPA structure.
  • the semiconductor materials used to produce the absorbing planar structure SPA can be of the III-V type such as, by way of example, gallium arsenide, indium arsenide , gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • the structure of the energy bands in the planar absorbing structure SPA is decisive for increasing the cut-off frequency of the matrix detector comprising the pixel Pxl.
  • the upper contact structure CONT_SUP is made of solid P+ doped semiconductor materials having a high energy gap value. These materials are preferably of III-V type such as, by way of example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys .
  • the lower contact CONT_SUP can also be made with heterostructures obtained by stacking a plurality of thin layers of semi-conductor materials, preferably of III-V type such as, for example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • the upper contact structure CONT_SUP constitutes, by way of example, an N+ doped superlattice exhibiting a large energy gap value.
  • FIG. 1 has illustrated a pixel having a structure obtained by successive deposition and etching operations. A pixel is thus delimited along the plane (x,y) by its three-dimensional structure obtained by the etching operations.
  • Figure 1b illustrates a perspective view of a plurality of pixels belonging to a matrix detector in the infrared frequency domain delimited by the P+ doping zones of the upper contact CONT_SUP.
  • the characteristics of the different parts of each pixel along its axis A remain the same with respect to FIG. 1a.
  • the major difference consists in the manner of delimitation of the pixels in the matrix resulting from the manufacturing process used for the delimitation (etching in 1 a and doping in 1 b).
  • FIG. 1c illustrates a sectional view of an example according to the prior art of an infrared detection pixel comprising a planar absorption structure SPA formed by a superlattice SR0.
  • the planar structure of absorption SPA is realized in this illustration via a periodic heterostructure which forms the superlattice SR0.
  • the SR0 superlattice is a periodic stacking of an elementary group G0 formed by a plurality of thin layers of semiconductor materials.
  • the elementary group is formed by the first layer C0 having a thickness eO and the second layer C'0 having a thickness e'0.
  • the period of the superlattice is equal to e0+e’0.
  • the effective band diagram is defined by: an effective conduction band, BC e ff having a minimum energy value Ec e tf.
  • the use of superlattices in the absorbing planar structures of a pixel makes it possible to reach cut-off frequencies that are not accessible with absorption zones based on bulk materials.
  • the design choices of the SPA absorbent planar structure cover but are not limited to the composition of the materials used (materials engineering), the use of a bulk or super-lattice material structure and the thicknesses of layers used (structural design of the device). These design choices open up possibilities for controlling the absorption rate of the detector, increasing the cut-off frequency of the matrix detector, improving the quantum efficiency of the pixel and limiting cross-talk noise between adjacent pixels. .
  • the technical solution according to the invention relates to improving the performance of matrix detectors in the field of infrared imaging (wavelength from 1 ⁇ m to 70 ⁇ m, therefore including the THz), and in particular the spectra of the SWIR (short-wave infrared, 1 - 2.5pm).
  • the focal plane arrays according to the state of the art with an absorbing planar structure in InGaAs material have very good electro-optical performances but they are limited to a cut-off wavelength of 1.7 pm at 300K.
  • a technical problem to be solved in this field therefore consists in designing a matrix detector operating in the near infrared with a cut-off wavelength greater than 2 ⁇ m by improving the internal quantum efficiency of the detector compared to the solutions of the state of the art.
  • European patent application EP3482421 B1 describes a matrix infrared image detector comprising a plurality of pixels.
  • the planar absorption structure of each pixel according to the solution proposed in this application is made by a massive InGaAsSb material on a GaSb material substrate in a specific vertical architecture.
  • European patent EP1642345B1 describes a matrix infrared image detector comprising a plurality of pixels.
  • the planar absorption structure of each pixel according to the solution proposed by this patent is produced by a massive InGaAsSb material on a GaSb material substrate.
  • the disadvantage of the solutions by these two documents is that the technological sector defining the process for manufacturing such a structure on GaSb substrates presents a complexity of execution and significant production costs resulting from the immaturity of said process.
  • the invention provides several embodiments of a pixel structure comprising a specific superlattice structure for the absorption planar structure. More specifically, the invention proposes solutions compatible with the InP sector which has better technological maturity of the manufacturing process compared to other technological sectors such as GaSb.
  • the invention details embodiments with examples of choice of materials for the superlattice, composition ranges of the semiconductor alloys forming the superlattice and dimensioning ranges of the thicknesses of the layers of the superlattice according to the invention.
  • the periodically repeated elementary group in the superlattice according to the invention consists of at least three thin layers with the insertion of an additional layer with a small gap so as to obtain the following advantages compared to the solutions of the state art :
  • the invention relates to an infrared radiation detection device comprising at least one pixel.
  • a pixel comprises a first superlattice comprising a stack along a stacking direction of an elementary group of semiconductor layers.
  • the semiconductor layers of said elementary group are each arranged according to a crystalline mesh structure.
  • Said elementary group includes:
  • ⁇ at least a second layer of a second semiconductor material having: o a second energy gap, o and a second conduction band minimum value strictly lower than the first conduction band minimum value;
  • ⁇ a third layer of a third semiconductor material having: o a third energy gap lower than the first and the second energy gap; o and a third conduction band minimum value strictly less than the second conduction band minimum value.
  • the elementary group is produced according to a first stacking configuration according to the following order: the second layer, the third layer, the second layer then the first layer or according to a second stacking configuration such that the third layer is confined between the first and second layer.
  • the first semiconductor material also has a first valence band maximum value and the second semiconductor material also has a second valence band maximum value strictly less than the first valence band maximum value.
  • the first superlattice is produced by epitaxy on a substrate made of a fourth semiconductor material arranged in a crystalline mesh structure. Said first superlattice is made such that, for each semiconductor layer of the first superlattice, the meshes of a semiconductor layer undergo internal mechanical stresses to adapt to the meshes of the crystalline structure of the substrate.
  • the first, the second, the third and the fourth semiconductor material are of III-V type.
  • the fourth semiconductor material is indium phosphide InP.
  • the compositions of the materials used to produce the semiconductor layers of said elementary group are chosen such that the conduction and valence band diagram according to the stacking direction of the first super- grating has an effective energy gap, an effective valence band maximum value and a minimum value of effective conduction band. Said effective energy gap being between 400 meV and 750 meV.
  • the effective mass of the carriers of positive charges in the superlattice according to the direction of the stacking is less than three times the mass of a free electron.
  • the third semiconductor material is the InAs binary composite.
  • the second semiconductor material is the ternary alloy In x Gai x As; with x the molar fraction of indium in the In x Gal- x As alloy.
  • the molar fraction x of indium In in the second semiconductor material is less than 0.55.
  • the first semiconductor material is the ternary alloy GaAs y Sbi- y ; with y the molar fraction of arsenic in the GaAs y Sbi- y alloy.
  • the molar fraction y of arsenic As in the first semiconductor material is less than 0.55.
  • the ratio between on the one hand the sum of the thicknesses of the layers of the elementary group weighted by the amplitude of the stresses undergone by each layer and on the other hand the total thickness of the group elementary is less than or equal to a predetermined value.
  • the stresses undergone by the meshes of the layer of ln x Gai- x As are tensile stresses; and the stresses undergone by the meshes of the layer of GaAs y Sbi- y are compressive stresses.
  • the amplitude of a stress undergone by the mesh cells of any layer of the elementary group is less than a limit dislocation stress.
  • the thickness of a layer of the elementary group is between 0.3 nm and 10 nm.
  • a pixel comprises along the stacking direction (Z) in this order:
  • a bottom contact layer made of a fifth N+ doped semiconductor material having: a fifth valence band maximum value strictly lower than the effective valence band maximum value of the first superlattice; o and a fifth energy gap greater than or equal to the effective energy gap value of the first superlattice.
  • An absorbent planar structure comprising at least the first superlattice.
  • the layers of said first superlattice are N-doped.
  • a pixel comprises along the stacking direction in this order:
  • a lower contact made by a second N+ doped superlattice presenting: o a second effective valence band maximum value strictly less than the effective valence band maximum value of the first superlattice; o a second effective energy gap value greater than or equal to the effective energy gap value of the first superlattice.
  • An absorbing planar structure comprising at least the superlattice.
  • the layers of said superlattice are N-doped.
  • the absorbent planar structure further comprises a transition layer made of a seventh N-doped semiconductor material having:
  • ⁇ a seventh conduction band minimum value comprised between: o on the one hand the effective conduction band minimum value of the first superlattice; o and on the other hand the sixth conduction band minimum value or the third effective conduction band minimum value;
  • a seventh valence band maximum value comprised between o on the one hand the effective valence band maximum value of the first superlattice; o and on the other hand the sixth valence band maximum value or the third effective valence band maximum value.
  • transition layer is confined between the superlattice and the upper contact layer.
  • Figure 1 a illustrates a perspective view of a first example of a pixel belonging to a matrix detector in the infrared frequency domain.
  • Figure 1b illustrates a perspective view of a second example of a pixel belonging to a matrix detector in the infrared frequency domain.
  • Figure 1 c illustrates a sectional view of an example according to the state of the art of an infrared detection pixel comprising a planar absorption structure formed by a superlattice.
  • figure 1d illustrates a potential diagram along the pixel axis in the superlattice of figure 1c obtained by epitaxy in mesh agreement with the substrate.
  • figure 1e illustrates a diagram of potential along the axis of the pixel in the superlattice of figure 1 c obtained by epitaxy with a stress compensated on a substrate.
  • Figure 2a illustrates a sectional view of an infrared detector pixel comprising a superlattice according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2b illustrates a potential diagram along the axis of the pixel in the superlattice according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 3a illustrates a sectional view of an infrared detector pixel comprising a superlattice according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3b illustrates a potential diagram along the axis of the pixel in the superlattice according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates curves of the absorption simulation results for a two-layer superlattice and a superlattice according to the second embodiment of the invention for a cut-off wavelength equal to 2 ,3pm.
  • FIG. 5a illustrates a sectional view of a first example of a pixel comprising an absorbing planar structure according to any one of the embodiments of the invention.
  • figure 5b illustrates the band diagram along the axis of the pixel of figure 5a.
  • FIG. 5c illustrates a sectional view of a second example of a pixel comprising an absorbing planar structure according to any one of the embodiments of the invention.
  • figure 5d illustrates the band diagram along the axis of the pixel of figure 5c.
  • FIG. 6 illustrates a sectional view of an infrared radiation detection device comprising a plurality of pixels according to the invention.
  • a bulk material in the solid state is organized according to a crystalline structure obtained by the spatially periodic repetition of an elementary cell made up of the atoms of said material.
  • all the mechanical, physical and electrical characteristics are determined, among other things, by the structure of the crystal lattice.
  • the choice of the molar fractions of the different materials that make up the alloy defines the crystalline structure and the geometric parameters of the crystal lattice of the alloy obtained.
  • the fabrication of the layers that form the superlattice is carried out via the epitaxy process on a substrate. It is possible to use molecular beam epitaxy or organometallic vapor phase epitaxy.
  • the choice of the molar fractions used in the epitaxy step of each component of the alloy makes it possible to control the parameters of the crystal lattice of the deposited layer.
  • a judicious choice of the molar fractions it is possible to carry out a deposition by epitaxy of a thin layer in mesh agreement with the crystalline structure of the substrate. We are talking here about a homo-epitaxy.
  • FIGS. 1d and 1e serves to detail the limits of the use of a two-layer superlattice for operation at cut-off frequencies beyond 2.1 ⁇ m. Indeed, the realization of the planar absorption structure with a super lattice composed of two layers makes it possible to reach cut-off frequencies in the near infrared beyond 2.1 pm but with mediocre electro-optical performances.
  • This type of structure presents a degradation of the quantum efficiency and a drop in the mobility of the positive charge carriers in the axis of the pixel. This degradation is due to a high effective mass of the holes. This increase in the effective mass is explained by a very high potential barrier observed by the holes in the superlattice along the pixel axis. All of these observations and results will be presented in the description of Figures 1c and 1d.
  • Figure 1d illustrates a potential diagram along the z direction of the pixel axis in the SR0 superlattice of Figure 1c obtained by epitaxy in mesh agreement with the substrate.
  • the thickness e1 of the layer C1 in GaAs y oSbi-yo is equal to 7 nm and the thickness e2 of the layer C2 in ln x oGai- x oAs is equal to 7 nm.
  • the potential diagram presents the structure of the valence and conduction bands of the different layers of the superlattice along the z direction of the axis A and therefore by traversing the periodic stacking of the layers of the superlattice.
  • the first layer C1 of the elementary group GO is produced with the ternary alloy GaAs y oSbi- y o having a first energy gap Eg1 , a first conduction band minimum value Ec1 and a first value of valence band maximum Ev1.
  • the second layer C2 is made with the ternary alloy ln x0 Gai- x0 As having a second energy gap Eg2, a second conduction band minimum value Ec2 and a second valence band maximum value Ev2.
  • the materials that make up the superlattice are chosen such that Ec1 >Ec2 and Ev1 >Ev2 to obtain a type 2 potential diagram. This is an alternation of potential barriers in the second layers C2 and potential wells in the first layers C1 seen by carriers of positive charges (holes). It is also an alternation of potential barriers in the first layers C1 and potential wells in the second layers C2 seen by carriers of negative charges (electrons).
  • the quantum coupling between the different layers of the super-lattice generates the creation of an effective conduction band with an effective minimum energy level Ec e tf and an effective valence band with a level effective maximum energy Ev eff .
  • the effective energy gap of the superlattice Eg eff Eceff - Ev eff f is equal to 0.488eV.
  • the holes in the potential wells at the level of the first layer C1 see a high potential obtained by the combination of a large layer thickness (7 nm/7 nm) and a high potential difference between Ev e tf and Ev2 evaluated at 0.350 eV.
  • the effect of the potential seen by the holes manifests itself in the increase in the effective mass of the heavy holes in the effective valence band which is quantified in this combination at 71 times the mass of a free electron denoted m 0 .
  • This corresponds to a degradation of the optical efficiency by more than a factor of 10 compared to a planar absorption structure having acceptable electro-optical performances.
  • an infrared detector exhibits acceptable electro-optical performances for effective hole mass values of less than 3 times the mass of a free electron m 0 .
  • the two-layer SR0 superlattice in mesh agreement with a cut-off frequency of 2.1 pm has an effective hole mass equal to 9.8 times the mass of a free electron m 0 .
  • the lattice-matched two-layer SR0 superlattice with a cut-off frequency of 2.3 pm has an effective hole mass equal to 52 times the mass of a free electron m 0 .
  • the lattice-matched two-layer SRO superlattice with a cut-off frequency of 2.5 pm has an effective hole mass equal to 71.8 times the mass of a free electron m 0 .
  • Figure 1 e illustrates a potential diagram along the z direction of the pixel axis in the SRO superlattice of Figure 1 c obtained by epitaxy with a compensated stress on a substrate.
  • FIG. 1e shows the same structure of the SRO superlattice of FIG. 1c but with different molar fractions of the alloys making up the layers of the superlattice.
  • This change in composition controlled by the proportioning of the components of the alloy during the growth phase by epitaxy generates a deposition of layers which are not in mesh agreement with the InP substrate. It has already been explained that this shift of the meshes generates internal mechanical stresses on the crystal meshes of the layers C1 and C2 to align with the crystal meshes of the SUB substrate, hence the obtaining of the new potential diagram described in the Figure 1d.
  • the superlattice S’0 in this case is said to be mounted superlattice “with a compensated constraint”.
  • the thickness e1 of the C1 layer in GaAs oSbiyo can be reduced to 2.9 nm and the thickness e2 of the C2 layer in ln X ' O Gai- X 'oAs can be reduced to 2.9nm.
  • the meshes of layer C1 in GaAsyoSbiyo undergo compressive stresses; the meshes of the layer C2 in ln x oGai- x oAs undergo tensile stresses.
  • the internal stresses applied to the meshes of the superlattice layers must not exceed a dislocation limit.
  • the sum of the stresses undergone by the elementary group G'0 is null.
  • the potential diagram of FIG. 1e shows the structure of the valence and conduction bands along the same axis A as that of FIG. 1d. It is a type 2 potential diagram as explained previously, presenting different values. Indeed, the internal stresses undergone by the meshes generate a quantum phenomenon known by the term “lifting of degeneracy”.
  • the "lifting of the degeneracy" consists of a separation of the energy levels occupied by the heavy holes and the light holes.
  • Ev1 -HH maximum energy level of valence band occupied by the heavy holes
  • Ev1 -LH maximum energy level of valence band occupied by the light holes
  • Ev1 -LH maximum energy level of valence band occupied by the light holes
  • the energy gap increases (minimum of the conduction band increases and maximum of the valence band decreases). This makes it possible to reduce the energy overlap of the energy gap to 240 meV making it possible to reduce the thickness of the first layer C1 as well as the thickness of the second layer C2 to 2.9 nm.
  • the quantum coupling between the different layers of the superlattice generates the creation of an effective conduction band with an effective minimum energy level Ec e tf and an effective valence band with a maximum energy level.
  • the holes in the potential wells at C1 still see a high potential obtained by the combination of a large thickness of layers (2.9nm / 2.9nm) and a high potential difference between Ev eff and Ev2 evaluated at 0.520eV.
  • the effect of the potential seen by the holes is manifested in the increase in the effective mass of heavy holes in the effective valence band which is quantified in this combination to 24 times the mass of a free electron.
  • the two-layer SR'0 superlattice with a compensated strain and a cut-off frequency of 2.3 pm has an effective hole mass equal to 6 times the mass of a free electron m 0 .
  • the two-layer SR'0 superlattice with a compensated strain and a cut-off frequency of 2.5 pm has an effective hole mass equal to 24 times the mass of a free electron m 0 .
  • the invention proposes a new superlattice structure allowing to overcome the limitations of two-layer superlattice structures for cutoff frequencies between 2.1 pm and 2.5 pm with good quantum efficiency thanks to the reduction of the effective mass of the holes .
  • FIG. 2a illustrates a sectional view of an infrared detector pixel comprising a superlattice according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2b illustrates a potential diagram along the z direction of the pixel axis in the superlattice according to the first embodiment of the invention obtained by epitaxy with a compensated stress on a SUB substrate.
  • the pixel Pxl comprises a superlattice SR1 comprising a stack along the axis of the pixel A of an elementary group of semiconductor layers G1.
  • the semiconductor layers of said elementary group G1 are made with a compensated strain.
  • the periodically repeated elementary group G1 comprises in this order:
  • a layer C'2 having the same composition as layer C2 but which may have a different thickness e'2.
  • the first semiconductor material SC1 of the layer C1 has a first energy gap Eg1, a first valence band maximum value Ev1 and a first conduction band minimum value Ec1.
  • the second semiconductor material SC2 of the layer C2 has a second energy gap Eg2, a second valence band maximum value Ev2 lower than the first valence band maximum value Ev1 and a second value of conduction band minimum Ec2 less than the first conduction band minimum value Ec1.
  • the third semiconductor material SC3 of C3 has a third energy gap Eg3 strictly lower than the first and second energy gap Eg1 and Eg2 and a third conduction band minimum value Ec3 lower than the second value. conduction band minimum Ec2.
  • the insertion of the third layer C3 in the superlattice with a semiconductor material SC3 with a reduced energy gap makes it possible to reduce the energy overlap of the gap REG.
  • the reduction in the energy overlap of the gap REG gives the possibility of opting for a total thickness of the elementary group G1 that is smaller in the range of the targeted cut-off wavelengths. Reducing the thickness of the elementary group G1 makes it possible to lower the potential barrier seen by the holes confined in the potential wells and thus reduce their effective mass, increase the quantum efficiency and the mobility of the positive charge carriers.
  • the first layer C1 is in compression
  • the second layer C2 is in tension
  • the third layer C3 is in compression.
  • the superlattice SR1 it is possible to produce the superlattice SR1 according to the first embodiment via a stack of a plurality of thin layers of semiconductor materials, preferably of type III -V such as, by way of example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • FIG. 2b specifically describes the potential diagram obtained by the superlattice SR1 with the following dimensioning and composition characteristics.
  • the target cut-off wavelength is 2.5 ⁇ m.
  • the third layer C3 inserted between the two layers (C2, C'2) is made with indium arsenide InAs, a type III-V semiconductor binary composite with a reduced energy gap.
  • the thickness of the third layer C3 denoted e3 is equal to 0.7 nm.
  • the effect obtained consists in the reduction of the energy overlap of the gap REG and therefore the possibility of using thicknesses e1, e2 and e3 of the order of 1 nm for each layer.
  • the gap energy overlap is effective and it corresponds to a combination of the gap energy overlaps of the different layers that make up the superlattice.
  • the reduction of these two characteristics makes it possible to lower the potential barrier of the wells (layer C1) in the superlattice SR1 seen by the holes.
  • the effective mass of the holes is reduced to 2.8 times the mass of a free electron for a cut-off wavelength of 2.5 pm.
  • the superlattice SR1 according to the first embodiment with a cut-off frequency of 2.1 pm has an effective hole mass equal to 0.89 times the mass of a free electron m 0 (compared to 2.1 xm 0 for SR'O and 9.8xm 0 for ORS).
  • the superlattice SR1 according to the first embodiment with a cut-off frequency of 2.3 pm has an effective hole mass equal to 1.2 times the mass of a free electron m 0 (compared to 6xm 0 for SR'O and 52xm 0 for ORS).
  • the superlattice SR1 according to the first embodiment with a cut-off frequency of 2.5 pm has an effective hole mass equal to 2.8 times the mass of a free electron m 0 (compared to 24xm 0 for SR'O and 71.8xm 0 for ORS). More generally, the insertion of a thin layer in a material with a low energy gap in the elementary group of the superlattice between two C2 layers makes it possible to reduce the effective mass of the holes at the level of the potential wells. . The values obtained are quite close to those of bulk materials and make it possible to obtain a good internal quantum efficiency for wavelengths between 2.1 pm and 2.5 pm at non-cryogenic temperatures.
  • FIG. 3a illustrates a sectional view of an infrared detector pixel comprising a superlattice according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3b illustrates a potential diagram along the z direction of the pixel axis in the superlattice according to the second embodiment of the invention obtained by epitaxy with a compensated stress on a SUB substrate.
  • the pixel Px1 comprises a superlattice SR2 comprising a stack along the axis of the pixel A of an elementary group of semiconductor layers G2.
  • the semiconductor layers of said elementary group G2 are made with a compensated stress.
  • the periodically repeated elementary group G2 comprises in this order:
  • the first layer C1 is in compression
  • the second layer C2 is in tension
  • the third layer C3 is in compression.
  • the superlattice SR2 it is possible to produce the superlattice SR2 according to the first embodiment via a stack of a plurality of thin layers of semiconductor materials, preferably of type III -V such as, by way of example, gallium arsenide, indium arsenide, gallium nitride, gallium antimonide, boron phosphide, as well as their ternary or quaternary or quinary alloys.
  • Figure 3b specifically describes the potential diagram obtained by the superlattice SR2 with the following sizing and composition characteristics:
  • the target cut-off wavelength is 2.5 ⁇ m.
  • the third layer C3 inserted between the layers C2 and C2 is made with indium arsenide InAs a binary composite semiconductor type III-V with reduced gap energy.
  • the thickness of the third layer C3 denoted e3 is equal to 0.7 nm.
  • the effect obtained consists in the reduction of the gap energy overlap and therefore the possibility of using thicknesses e1, e2 and e3 of the order of 1 nm for each layer.
  • the gap energy overlap is effective and it corresponds to a combination of the gap energy overlaps of the different layers that make up the superlattice.
  • the reduction of these two characteristics makes it possible to lower the potential barrier of the wells (layer C1) in the superlattice SR1 seen by the holes.
  • the effective mass of the holes is reduced to 2.8 times the mass of a free electron for a cut-off wavelength of 2.5 pm.
  • the insertion of a thin layer of a material with a low energy gap in the elementary group of the superlattice makes it possible to reduce the effective mass of the holes at the level of the potential wells.
  • the values obtained are quite close to those of bulk materials and make it possible to obtain a good internal quantum efficiency for wavelengths between 2.1 pm and 2.5 pm at non-cryogenic temperatures.
  • the thickness of the i th layer Ci of the elementary group G2 With e, the thickness of the i th layer Ci of the elementary group G2, and the stress undergone by the meshes of the i th layer Ci of the elementary group G2.
  • the compositions of the materials used to produce the semiconductor layers of the elementary groups G1 are chosen such that the conduction and valence band diagram according to the stacking direction of the superlattice SR1 (or SR2) has an effective energy gap Eg e ff between 400 meV and 750 meV to obtain a detector device having a cut-off frequency (A c ) chosen between 1.6 pm and 3 .1 p.m.
  • FIG. 4 illustrates curves of the absorption simulation results for a superlattice according to the state of the art and a superlattice according to the second embodiment of the invention for a length of cutoff wave at 2.3pm.
  • FIG. 5a illustrates a sectional view of a first example of a pixel Px1 comprising an absorbing planar structure according to the invention.
  • Figure 5b illustrates a band diagram diagram along the axis of pixel Pxl of Figure 5a.
  • the pixel Pxl comprises along the stacking direction Z (or the axis of the pixel) in this order: the substrate SUB having the characteristics detailed previously, a lower contact layer CONTJNF in a fifth semiconductor material SC5 doped N+, an absorbing planar structure SPA according to the invention with layers C1, C2 and C3 doped N and an upper contact layer CONT_SUP in a sixth P-doped semiconductor material SC6 having:
  • the fifth semiconductor material SC5 has a fifth valence band maximum value Ev5 strictly lower than the effective valence band maximum value Ev e tf of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention such that shown in Figure 5b.
  • the fifth semiconductor material SC5 also has an energy gap Eg5 greater than or equal to the effective energy gap value Eg eff of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention as illustrated in Figure 5b.
  • the lower contact CONTJNF with an SRJNF superlattice with a stack of N+ doped layers.
  • the superlattice used for the lower contact CONTJNF has an effective valence band maximum value Ev e ffjnf strictly lower than the effective valence band maximum value Ev eff of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention.
  • the superlattice used for the lower contact CONTJNF also has an effective energy gap Eg e ffjnf greater than or equal to the effective energy gap value Eg eff of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention such that shown in Figure 5b.
  • the sixth semiconductor material SC6 used to make the upper contact CONT_SUP has a sixth valence band maximum value Ev6 strictly lower than the effective valence band maximum value Ev e tf of the superlattice SR1 (or SR2 ) according to the invention as illustrated in FIG. 5b.
  • the sixth semiconductor material SC6 also has a sixth conduction band minimum value Ec6 strictly greater than the effective conduction band minimum value Ec e tf of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention. as shown in Figure 5b.
  • the upper contact CONT_SUP with a superlattice SR_SUP with a stack of P-doped layers.
  • the superlattice used for the upper contact CONT_SUP has an effective valence band maximum value Ev ef f_ sup strictly less than the effective valence band maximum value Ev eff of the superlattice SR1 (or SR2) according to the invention.
  • the super-network used for the upper contact CONT_SUP also has a conduction band minimum value Ec e ff_ SU p strictly greater than the effective conduction band minimum value Ec e tf of the super-network SR1 (or SR2) according to l invention as shown in Figure 5b.
  • FIG. 5b illustrates a sectional view of a second example of a pixel Pxl comprising an absorbing planar structure according to the invention.
  • Figure 5d illustrates a band diagram diagram along the axis of the pixel Pxl of Figure 5b.
  • the pixel Pxl of FIG. 5c takes up the same characteristics of the pixel described previously, illustrated by FIG. 5a.
  • the stacking of the pixel Pxl of figure 5c is distinguished by the insertion of an additional structure denoted transition structure C_trans confined between the planar absorption structure and the upper contact CONT_SUP as illustrated in figure 5d.
  • the transition structure C_trans is made of a seventh N-doped semiconductor material SC7 having a seventh band minimum value of conduction Ec7 between, on the one hand, the effective conduction band minimum value Ec e tf of the first superlattice according to the invention SR1 (or SR2) and, on the other hand, the sixth conduction band minimum value Ec6 such that shown in Figure 5d.
  • the seventh conduction band minimum value Ec7 is between on the one hand the band minimum value of effective conduction Ec e tf of the first super-network according to the invention SR1 (or SR2) and on the other hand the minimum effective conduction band value Ec e ff_ SU p of the super-network of the upper contact CONT_SUP as illustrated on the Figure 5d.
  • the seventh P-doped semiconductor material SC7 also has a seventh valence band maximum value Ev7 comprised between on the one hand the effective valence band maximum value Ev e tf of the first superlattice SR1 (or SR2) according to the invention and on the other hand the sixth valence band maximum value Ev6 as illustrated in FIG. 5d.
  • the seventh valence band maximum value Ev7 is between on the one hand the band maximum value effective valence band Ev eff of the first superlattice according to the invention SR1 (or SR2) and on the other hand the maximum effective valence band value Ev e ff_ SU p of the superlattice of the upper contact CONT_SUP.
  • the C_TRAN transition structure with a layer of solid semiconductor material such as the ternary alloy ln 0.53Ga 0.47As doped N- with a thickness between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m deposited on the superlattice according to the invention having an overall thickness of between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • a layer of solid semiconductor material such as the ternary alloy ln 0.53Ga 0.47As doped N- with a thickness between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m deposited on the superlattice according to the invention having an overall thickness of between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • Figure 6 illustrates a sectional view of a device D1 for detecting infrared radiation comprising a plurality of pixels Pxl according to the invention.
  • the device a device D1 for detecting infrared radiation is mounted on the substrate SUB. It is a hybrid optoelectronic system, comprising: an OPT optical part based on a matrix formed by a plurality of pixels arranged in rows and columns and an electronic part consisting of an integrated read circuit ROIC on a semiconductor substrate making it possible to individually read the signal of each pixel of the optical part OPT.
  • a pixel belonging to the optoelectronic system can contain a single photosensitive element or a plurality of photosensitive elements connected together.
  • optical part OPT with a single pixel Pxl.
  • the ROIC read integrated circuit is produced by means of a plurality of transistors and thin layers of conductive, semi-conductive or dielectric material according to CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology on a silicon substrate.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
  • a buried electrode is associated to read the signals generated by the photo charge carriers generated by the photo detector structure of a pixel Pxl.
  • the invention described proposes a new superlattice structure to produce the absorbing planar structure of a detection pixel in the short infrared range.
  • the superlattice structure according to the invention makes it possible to reach the target cut-off wavelengths beyond 2.1 pm while reducing the effective mass of the positive charge carriers (holes) which improves the quantum efficiency of the detector compared to the solutions of the state of the art on InP..
  • the manufacturing process and the choices of materials of the superlattice according to the invention are compatible with technological sectors of mature manufacturing process such as the technological sector based on In P substrates.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection de rayonnements infrarouges comprenant au moins un pixel comprenant: Un premier super-réseau composé de la répétition d'un groupe élémentaire comprenant: une première couche présentant un premier gap d'énergie et une première valeur de bande de conduction; au moins une deuxième couche présentant un deuxième gap d'énergie et une deuxième valeur de bande de conduction strictement inférieure à la première valeur de bande de conduction; une troisième couche présentant un troisième gap d'énergie inférieur au premier et au deuxième gap d'énergie et une troisième valeur de bande de conduction strictement inférieure à la deuxième valeur de bande de conduction. Le groupe élémentaire est réalisé selon une première configuration d'empilement selon l'ordre suivant: la deuxième couche, la troisième couche, la deuxième couche puis la première couche ou selon une seconde configuration d'empilement tel que la troisième couche soit confinée entre la première et la deuxième couche.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Architecture de super-réseaux InGaAS/GaAsSb sur substrat InP.
[0001] Champ d’application
[0002] La présente invention concerne le domaine de l’imagerie pour l’infra-rouge (IR) et en particulier un détecteur de rayonnement ou photo détecteur fabriqué avec des hétéro-structures à base de matériaux semi-conducteurs de type lll-V. Plus particulièrement, l’invention concerne un dispositif d’imagerie dans l’infrarouge court (SWIR) à des températures non cryogéniques.
[0003] Problème soulevé
[0004] Les imageurs opérant dans la gamme infrarouge sont généralement constitués par assemblage d’une matrice comprenant une pluralité de pixels élémentaires à base de photodiodes transformant un flux de photons incidents en porteurs de charges photogénérés, et d’un circuit de lecture couramment dénommé ROIC pour « Read Out Integrated Circuit >> en anglais pour traiter le signal électrique issu des pixels du détecteur.
[0005] On entend par « rendement quantique >> d’un détecteur infrarouge à base de semi-conducteur le rapport du nombre de paires électrons/trous générés par effet photoélectrique au nombre de photons traversant la structure d’un pixel appartenant au détecteur de rayonnements infrarouges. Le rendement quantique dépend du coefficient d’absorption et de la longueur de diffusion dans la structure du pixel selon l’axe du pixel. Le coefficient d’absorption dépend des matériaux utilisés pour la réalisation de la structure du pixel. Le coefficient de diffusion est inversement proportionnel de la masse effective des porteurs de charges positives (trous) et négatives (électron) selon l’axe du pixel.
[0006] Le rendement quantique est une caractéristique technique fondamentale qui détermine les performances électro-optiques d’un détecteur infra-rouge.
[0007] L’invention se propose de résoudre un problème technique dans ce domaine consistant à concevoir un détecteur matriciel fonctionnant dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde de coupure supérieure à 2 pm en améliorant le rendement quantique du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art.
[0008] Pour mieux cerner le problème soulevé par l’invention, nous allons commencer par décrire la structure générale d’un pixel appartenant à un détecteur infrarouge matriciel à base de matériaux semi-conducteurs.
[0009] La figure 1 a illustre une vue en perspective d’un exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel de rayonnements infrarouges opérant dans le domaine des fréquences infrarouges. L’illustration est limitée à un seul pixel Pxl par souci de simplification mais elle n’exclut pas l’intégration du pixel dans une matrice comprenant une pluralité de pixels juxtaposés.
[0010] Le pixel Pxl d’un détecteur infrarouge est réalisé par un empilement de couches en matériaux semi-conducteurs formant la structure du pixel sur un substrat SUB. L’axe du pixel A est l’axe perpendiculaire au plan horizontal (x,y) formé par la surface supérieure du substrat SUB. Le substrat SUB est réalisé en un matériau massif semi-conducteur de type lll-V par exemple. Le choix du matériau du substrat SUB est important car déterminant la technologie des étapes du procédé de fabrication du dispositif mais aussi les caractéristiques techniques (optiques, électriques, mécaniques..) du détecteur matriciel. Le pixel Pxl comprend les couches suivantes, en partant du substrat, selon la direction de l’axe du pixel A : une structure de contact inférieur CONTJNF, une structure planaire absorbante SPA et une structure de contact supérieure CONT_SUP.
[0011] La structure de contact inférieur CONTJNF est réalisée en matériau massif semi-conducteur dopé N+ et présente un niveau maximum d’énergie de la bande de valence inférieur au niveau maximum d’énergie de la bande de valence de la structure planaire absorbante SPA. Préférentiellement, le matériau constituant la structure de contact inférieur est de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Le contact inférieur CONTJNF peut également être réalisé avec des hétéro-structures obtenues par un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi- conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure de contact inférieur CONTJNF constitue à titre d’exemple un super-réseau dopé N+ présentant une grande valeur de gap d’énergie.
[0012] La structure planaire absorbante SPA est réalisée en matériau massif semi- conducteur dopé N- (ou une hétéro structure de type super-réseau) présentant une valeur de gap d’énergie inférieure ou égale à celle de la structure de contact inférieur. Les caractéristiques du diagramme de bande de la structure planaire absorbante SPA (bande de valence, bande de conduction, énergie de gap) sont intrinsèques dans le cas d’un matériau massif, ou effectives résultant de la combinaison des différentes couches fines dans le cas d’un super-réseau. La structure planaire absorbante SPA convertit le flux de photons incidents avec une longueur d’onde À en porteurs de charges négatives « électrons >> dans la bande de conduction (intrinsèque ou effective) de la structure SPA et de charges positives « trous >> dans la bande de valence (intrinsèque ou effective) de la structure SPA. Les matériaux semi-conducteurs utilisés pour réaliser la structure planaire absorbante SPA (sous forme de matériau massif ou super-réseau) peuvent être de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure des bandes d’énergie dans la structure planaire absorbante SPA est déterminante pour augmenter la fréquence de coupure du détecteur matriciel comprenant le pixel Pxl.
[0013] La structure de contact supérieure CONT_SUP est réalisée en matériaux massifs semi-conducteur dopé P+ présentant une grande valeur de gap d’énergie. Ces matériaux sont préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Le contact inférieur CONT_SUP peut également être réalisé avec des hétéro- structures obtenues par un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure de contact supérieur CONT_SUP constitue à titre d’exemple un superréseau dopé N+ présentant une grande valeur de gap d’énergie. [0014] La figure 1 a a illustré un pixel présentant une structure obtenue par des opérations successives de dépôt et gravure. Un pixel est ainsi délimité selon le plan (x,y) par sa structure tridimensionnelle obtenue par les opérations de gravure.
[0015] Alternativement, il est possible de réaliser la même architecture du pixel selon l’axe du pixel A mais délimité selon le plan (x,y) avec des zones de dopage et non une structure résultat de gravure. La figure 1 b illustre une vue en perspective d’une pluralité de pixels appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges délimités par les zones de dopage P+ du contact supérieur CONT_SUP. Les caractéristiques des différentes parties de chaque pixel selon son axe A restent les mêmes par rapport à la figure 1 a. La différence majeure consiste en la manière de délimitation des pixels dans la matrice découlant du procédé de fabrication utilisé pour la délimitation (gravure en 1 a et dopage en 1 b).
[0016] La figure 1 c illustre une vue en coupe d’un exemple selon l’art antérieur d’un pixel de détection infrarouge comprenant une structure planaire d’absorption SPA formée par un super-réseau SR0.
[0017] La structure planaire d’absorption SPA est réalisée dans cette illustration via une hétéro structure périodique qui forme le super réseau SR0. D’une façon générale, le super-réseau SR0 est un empilement périodique d’un groupe élémentaire G0 formé par une pluralité de couches fines en matériaux semi- conducteurs. Dans cet exemple, le groupe élémentaire est formé par la première couche C0 ayant une épaisseur eO et la deuxième couche C’0 ayant une épaisseur e’0. Ainsi la période du super réseau est égale à e0+e’0. D’un point de vue quantique, si les couches C0 et C0’ sont suffisamment minces (entre 0,3 nm pour une monocouche atomique et 10nm), un phénomène de couplage quantique est obtenu au niveau des différentes jonctions aux interfaces des couches. Ce couplage quantique permet aux porteurs de charges (électrons et trous) d’accéder à des nouvelles mini-bandes d’énergies. Cela revient à l’obtention d’un diagramme de bandes d’énergie résultant différent de celui des matériaux massifs constitutifs du super réseau SR. Dans la suite du texte de cette demande, le diagramme de bandes d’énergie résultant de l’association des couches minces G0=(C0, C’0) formant le super réseau SR est désigné par le « diagramme de bande effectif ».
[0018] Le diagramme de bande effectif est défini par : une bande de conduction effective, BCeff ayant une valeur d’énergie minimale Ecetf.
- une bande de valence effective, BVeff ayant une valeur d’énergie maximale Eveff.
- un gap d’énergie effectif Egeff. égal à la différence entre la valeur d’énergie minimale de la bande de conduction Ecetf et la valeur d’énergie maximale Eveff.
[0019] D’une façon générale, l’utilisation des super-réseaux dans les structures planaires absorbantes d’un pixel permet d’atteindre des fréquences de coupures non accessibles avec des zones d’absorption à base de matériaux massifs. Les choix de conception de la structure planaire absorbante SPA couvrent à titre non limitatif la composition des matériaux utilisés (ingénierie des matériaux), l’utilisation d’une structure à matériau massif ou super-réseau et les épaisseurs de couches utilisées (conception structurelle du dispositif). Ces choix de conception ouvrent des possibilités permettant de contrôler le taux d’absorption du détecteur, augmenter la fréquence de coupure du détecteur matriciel, améliorer le rendement quantique du pixel et la limitation des bruits de diaphonie « cross-talk >> entre les pixels adjacents.
[0020] La solution technique selon l’invention concerne l’amélioration des performances des détecteurs matriciels dans le domaine de l’imagerie infrarouge (longueur d’onde de 1 pm à 70pm, donc comprenant le THz), et en particulier les spectres du SWIR (short-wave infrared, 1 - 2,5pm). En effet, les matrices plans focaux selon l’état de l’art avec une structure planaire absorbante en matériau InGaAs possèdent de très bonnes performances électro-optiques mais ils sont limités à une longueur d’onde de coupure de 1 ,7pm à 300K. Certaines applications, telles que la détection de gaz pour le spatial ou la détection de source laser au-delà de 1 ,6pm nécessitent d’augmenter la longueur d’onde de coupure vers 2 - 2,5pm tout en gardant un certain niveau de rendement quantique et de performances électro-optiques pour un bon fonctionnement du détecteur.
[0021] Un problème technique à résoudre dans ce domaine consiste donc à concevoir un détecteur matriciel fonctionnant dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde de coupure supérieure à 2 pm en améliorant le rendement quantique interne du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art. [0022] Art antérieur/ Restrictions de l’état de I’art
[0023] La demande de brevet européen EP3482421 B1 décrit un détecteur d’image infra-rouge matriciel comprenant une pluralité pixels. La structure planaire d’absorption de chaque pixel selon la solution proposée dans cette demande est réalisée par un matériau massif InGaAsSb sur un substrat en matériau GaSb dans une architecture verticale spécifique. De plus, le brevet européen EP1642345B1 décrit un détecteur d’image infra-rouge matriciel comprenant une pluralité de pixels. La structure planaire d’absorption de chaque pixel selon la solution proposée ce brevet est réalisé par un matériau massif InGaAsSb sur un substrat en matériau GaSb. L’inconvénient des solutions par ces deux documents est que la filière technologique définissant le procédé de fabrication d’une telle structure sur des substrats GaSb présente une complexité d’exécution et des coûts de production importants résultant de la non maturité dudit procédé.
[0024] La publication « InGaAs/GaAsSb Type-ll Superlattices for Short-Wavelength Infrared Detection >> de «J. Easley et al >> illustre une seconde filière technologique basée sur un substrat en matériau In P avec une architecture verticale typique de détecteur comprenant un super réseau InGaAs/GaAsSb qui permet d’accéder à des longueurs d’ondes de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm. Cependant, le super-réseau InGaAS/GaAsSb existant ne permet pas d’obtenir des imageurs hautes performances avec une fréquence de coupure au-delà de 2,1 pm. En effet, les épaisseurs de périodes du super-réseau sont importantes et entraînent un confinement des trous dans les couches GaAsSb et par conséquent un faible rendement quantique et une performance globale médiocre.
[0025] Réponse au problème et apport solution
[0026] Pour pallier les limitations des solutions existantes en ce qui concerne l’augmentation de la fréquence de coupure dans le domaine de l’infrarouge court jusqu’à 2,5pm à des températures non cryogéniques et avec un bon rendement quantique, l’invention propose plusieurs modes de réalisation d’une structure de pixel comprenant une structure de super-réseau spécifique pour la structure planaire d’absorption. Plus spécifiquement, l’invention propose des solutions compatibles avec la filière InP qui présente une meilleure maturité technologique du procédé de fabrication par rapport aux autres filières technologiques tel que le GaSb. L’invention détaille des modes de réalisation avec des exemples de choix de matériaux pour le super-réseau, des plages de compositions des alliages semiconducteurs formant le super-réseau et des plages de dimensionnement des épaisseurs des couches du super-réseau selon l’invention. Le groupe élémentaire répété périodiquement dans le super-réseau selon l’invention est constitué d’au moins trois couches minces avec l’insertion d’une couche supplémentaire à petit gap de façon à obtenir les avantages suivants par rapport aux solutions de l’état de l’art :
- atteindre les longueurs d’ondes de coupures ciblées au-delà de 2pm
- réduire la masse effective des porteurs de charges positives (trous) en réduisant le potentiel vu par les trous dans les couches puits du superréseau induisant une amélioration du rendement quantique.
- une intégrabilité avec des filières technologiques de procédé de fabrication mature tel que la filière technologique basée sur un substrat InP.
[0027] Résumé
[0028] L’invention a pour objet un dispositif de détection de rayonnements infrarouges comprenant au moins un pixel. Un pixel comprend un premier superréseau comprenant un empilement le long d’une direction d’empilement d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire sont chacune agencée selon une structure cristalline de mailles. Ledit groupe élémentaire comprend :
■ une première couche en un premier matériau semi-conducteur présentant o un premier gap d’énergie o et une première valeur de minimum de bande de conduction;
■ au moins une deuxième couche en un deuxième matériau semi-conducteur présentant : o un deuxième gap d’énergie, o et une deuxième valeur de minimum de bande de conduction strictement inférieure à la première valeur de minimum de bande de conduction ;
■ une troisième couche en un troisième matériau semi-conducteur présentant : o un troisième gap d’énergie inférieur au premier et au deuxième gap d’énergie; o et une troisième valeur de minimum de bande de conduction strictement inférieure à la deuxième valeur de minimum de bande de conduction.
Le groupe élémentaire est réalisé selon une première configuration d’empilement selon l’ordre suivant : la deuxième couche, la troisième couche, la deuxième couche puis la première couche ou selon une seconde configuration d’empilement tel que la troisième couche soit confinée entre la première et la deuxième couche.
[0029] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau semi-conducteur présente en outre une première valeur de maximum de bande de valence et le deuxième matériau semi-conducteur présente en outre une deuxième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la première valeur de maximum de bande de valence.
[0030] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier super-réseau est réalisé par épitaxie sur un substrat en un quatrième matériau semi-conducteur arrangé selon une structure cristalline de mailles. Ledit premier super-réseau est réalisé tel que, pour chaque couche semi-conductrice du premier super-réseau, les mailles d’une couche semi-conductrice subissent des contraintes mécaniques internes pour s’adapter aux mailles de la structure cristalline du substrat.
[0031] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier, le deuxième, le troisième et le quatrième matériau semi-conducteur sont de type lll-V.
[0032] Selon un aspect particulier de l’invention, le quatrième matériau semi- conducteur est le phosphure d'indium InP.
[0033] Selon un aspect particulier de l’invention, les compositions des matériaux utilisés pour réaliser les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire sont choisis tel que le diagramme de bandes de conduction et de valence selon la direction d’empilement du premier super-réseau présente un gap d’énergie effectif, une valeur de maximum de bande de valence effective et une valeur de minimum de bande de conduction effective. Ledit gap d’énergie effectif étant entre 400 meV et 750meV.
[0034] Selon un aspect particulier de l’invention, la masse effective des porteurs de charges positives dans le super réseau selon la direction de l’empilement est inférieure à trois fois la masse d’un électron libre.
[0035] Selon un aspect particulier de l’invention, le troisième matériau semi- conducteur est le composite binaire InAs.
[0036] Selon un aspect particulier de l’invention, le deuxième matériau semi- conducteur est l’alliage ternaire lnxGai-xAs ; avec x la fraction molaire d’indium dans l’alliage lnxGai-xAs.
[0037] Selon un aspect particulier de l’invention, la fraction molaire x d’indium In dans le deuxième matériau semi-conducteur est inférieure à 0,55 .
[0038] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau semi-conducteur est l’alliage ternaire GaAsySbi-y ; avec y la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAsySbi-y .
[0039] Selon un aspect particulier de l’invention, la fraction molaire y d’arsenic As dans le premier matériau semi-conducteur est inférieure à 0,55.
[0040] Selon un aspect particulier de l’invention, le rapport entre d’une part la somme des épaisseurs des couches du groupe élémentaire pondérées par l’amplitude des contraintes subies par chaque couche et d’autre part l’épaisseur totale du groupe élémentaire ; est inférieur ou égale à une valeur prédéterminée.
[0041] Selon un aspect particulier de l’invention, les contraintes subies par les mailles de la couche de lnxGai-xAs sont des contraintes de tension ; et les contraintes subies par les mailles de la couche de GaAsySbi-y sont des contraintes de compression.
[0042] Selon un aspect particulier de l’invention, l’amplitude d’une contrainte subie par les mailles d’une couche quelconque du groupe élémentaire est inférieure à une contrainte limite de dislocation. [0043] Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur d’une couche du groupe élémentaire est comprise entre 0,3nm et 10nm.
[0044] Selon un aspect particulier de l’invention, un pixel comprend le long de la direction d’empilement (Z) dans cet ordre :
■ le substrat ;
■ Une couche contact inférieur en un cinquième matériau semi-conducteur dopé N+ présentant : o une cinquième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et un cinquième gap d’énergie supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective du premier super réseau.
■ Une structure planaire absorbante comprenant au moins le premier superréseau. Les couches dudit premier super-réseau sont dopées N.
■ Une couche contact supérieur en un sixième matériau semi-conducteur dopé P+ présentant : o une sixième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et une sixième valeur de minimum de bande de conduction strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective du premier super réseau.
[0045] Selon un aspect particulier de l’invention, un pixel comprend le long de la direction d’empilement dans cet ordre :
■ le substrat (SUB) ;
■ Un contact inférieur réalisé par un deuxième super-réseau dopé N+ présentant : o une deuxième valeur de maximum de bande de valence effective strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o une deuxième valeur de gap d’énergie effectif supérieure ou égale à la valeur de gap d’énergie effective du premier super réseau .
■ Une structure planaire absorbante comprenant au moins le super-réseau. Les couches dudit super-réseau sont dopées N.
■ Un contact supérieur réalisé par un troisième super-réseau présentant : o une troisième valeur de maximum de bande de valence effective strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o une troisième valeur de minimum de bande de conduction effective strictement supérieure à la valeur de maximum de bande de conduction effective du premier super réseau.
[0046] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure planaire absorbante comprend en outre une couche de transition en un septième matériau semi- conducteur dopé N présentant :
■ une septième valeur de minimum de bande de conduction comprise entre : o d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective du premier super réseau; o et d’autre part la sixième valeur de minimum de bande de conduction ou la troisième valeur de minimum de bande de conduction effective ;
■ une septième valeur de maximum de bande de valence comprise entre o d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et d’autre part la sixième valeur de maximum de bande de valence ou la troisième valeur de maximum de bande de valence effective.
La couche de transition est confinée entre le super réseau et la couche contact supérieur. [0047] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
[0048] [Fig. 1 a] la figure 1 a illustre une vue en perspective d’un premier exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges.
[0049] [Fig. 1 b] la figure 1 b illustre une vue en perspective d’un second exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges.
[0050] [Fig. 1 c] la figure 1 c illustre une vue en coupe d’un exemple selon l’état de l’art d’un pixel de détection infrarouge comprenant une structure planaire d’absorption formée par un super-réseau.
[0051] [Fig. 1d] la figure 1d illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau de la figure 1 c obtenu par épitaxie en accord de maille avec le substrat.
[0052] [Fig. 1 e] la figure 1e illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau de la figure 1 c obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat.
[0053] [Fig. 2a] la figure 2a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[0054] [Fig. 2b] la figure 2b illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau selon le premier mode de réalisation de l’invention.
[0055] [Fig. 3a] la figure 3a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un second mode de réalisation de l’invention.
[0056] [Fig. 3b] la figure 3b illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention.
[0057] [Fig. 4] la figure 4 illustre des courbes des résultats de simulation de l’absorption pour un super-réseau à deux couches et un super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention pour une longueur d’onde de coupure égale à 2,3pm. [0058] [Fig. 5a] la figure 5a illustre une vue en coupe d’un premier exemple de pixel comportant une structure planaire absorbante selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention.
[0059] [Fig. 5b] la figure 5b illustre le diagramme de bande selon l’axe du pixel de la figure 5a.
[0060] [Fig. 5c] la figure 5c illustre une vue en coupe d’un second exemple de pixel comportant une structure planaire absorbante selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention.
[0061] [Fig. 5d] la figure 5d illustre le diagramme de bande selon l’axe du pixel de la figure 5c.
[0062] [Fig. 6] la figure 6 illustre une vue en coupe d’un dispositif de détection de rayonnements infrarouges comprenant une pluralité de pixels selon l’invention.
[0063] Nous allons d’abord commencer par expliquer la notion de croissance d’une couche mince en accord de maille avec un substrat. D’une façon générale, un matériau massif à l’état solide est organisé selon une structure cristalline obtenue par la répétition spatialement périodique d’une maille élémentaire composée par les atomes dudit matériau. Pour un matériau donné, l’ensemble des caractéristiques mécaniques, physiques, électriques est déterminé entre autre par la structure de la maille cristalline. Pour le cas d’un alliage de matériaux semi-conducteurs, le choix des fractions molaires des différents matériaux qui composent l’alliage définit la structure cristalline et les paramètres géométriques de la maille cristalline de l’alliage obtenu.
[0064] Dans le cas des détecteurs de rayonnements infrarouges à base de couches minces semi-conductrices, la fabrication des couches qui forment le super-réseau est réalisé via le procédé d’épitaxie sur un substrat. Il est possible d’utiliser l’épitaxie par jets moléculaires ou l’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans le cas d’un alliage semi-conducteur, le choix des fractions molaires utilisées dans l’étape d’épitaxie de chaque composant de l’alliage permet de contrôler les paramètres de la maille cristalline de la couche déposée. Ainsi, avec un choix judicieux des fractions molaires, il est possible de réaliser un dépôt par épitaxie d’une couche mince en accord de maille avec la structure cristalline du substrat. On parle ici, d’une homo- épitaxie. [0065] Dans le cas, où les fractions molaires utilisées dans l’alliage déposé sur le substrat sont différentes des valeurs correspondant à un accord de maille, il est possible de croitre des couches d’alliage semi-conducteur de quelques nanomètres sur le substrat, on parle d’une hétéro-épitaxie. En effet, les mailles cristallines d’une couche déposée vont s’adapter à la maille cristalline du substrat lors de l’opération d’épitaxie en subissant des contraintes mécaniques internes. Les contraintes mécaniques internes peuvent être des contraintes de tension ou de compression selon les fractions molaires choisies de l’alliage. A l’échelle du réseau cristallin, les contraintes mécaniques internes subies par les mailles cristallines de la couche déposée engendrent des asymétries dans lesdites mailles et des modifications des forces électromagnétiques entre les atomes. D’un point de vue électrique, cela engendre une modification de la structure de bandes énergétiques dans la couche déposée tel que détaillé ultérieurement.
[0066] La description des figures 1d et 1 e sert à détailler les limites de l’utilisation d’un super-réseau à deux couches pour un fonctionnement à des fréquences de coupure au-delà de 2,1 pm. En effet, la réalisation de la structure planaire d’absorption avec un super réseau composé de deux couches permet de d’atteindre des fréquences de coupures dans le proche infrarouge au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques médiocres. Ce type de structure présente une dégradation du rendement quantique et baisse de la mobilité des porteurs de charge positives dans l’axe du pixel. Cette dégradation est due à une masse effective élevée des trous. Cette augmentation de la masse effective s’explique par une barrière de potentiel très haute observée par les trous dans le super réseau selon l’axe du pixel. L’ensemble de ces observations et résultats sera exposé par la description des figures 1 c et 1d.
[0067] La figure 1d illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau SR0 de la figure 1 c obtenu par épitaxie en accord de maille avec le substrat.
[0068] Le diagramme de potentiel de la figure 1d correspond à un super-réseau en accord de maille avec un substrat en InP et avec un groupe élémentaire G0 composé d’une première couche C1 en GaAsyoSbi-yo et une deuxième couche C2 en lnxoGai-xoAs ; x0=0,53 est la fraction molaire d’indium dans l’alliage lnxoGai-xoAs en accord de maille avec un substrat InP et y0=0,52 est la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAsyoSbi-yo en accord de maille avec un substrat InP. Pour atteindre la fréquence de coupure de 2,5pm, l’épaisseur e1 de la couche C1 en GaAsyoSbi- yo est égale à 7nm et l’épaisseur e2 de la couche C2 en lnxoGai-xoAs est égale à 7nm.
[0069] Le diagramme de potentiel présente la structure des bandes de valence et de conduction des différentes couches du super-réseau selon la direction z de l’axe A et donc en parcourant l’empilement périodique des couches du super-réseau. Dans le cas illustré, la première couche C1 du groupe élémentaire GO est réalisée avec l’alliage ternaire GaAsyoSbi-yo présentant un premier gap d’énergie Eg1 , une première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 et une première valeur de maximum de bande de valence Ev1. La deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire lnx0Gai-x0As présentant un deuxième gap d’énergie Eg2, une deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2 et une deuxième valeur de maximum de bande de valence Ev2. Les matériaux qui composent le super réseau sont choisis tel que Ec1 >Ec2 et Ev1 >Ev2 pour obtenir un diagramme de potentiel de type 2. Il s’agit d’une alternance de barrières de potentiel dans les deuxièmes couches C2 et de puits de potentiel dans les premières couches C1 vus par porteurs de charges positives (trous). Il s’agit en outre d’une alternance de barrières de potentiel dans les premières couches C1 et de puits de potentiel dans les deuxièmes couches C2 vus par porteurs de charges négatives (électrons).
[0070] Comme indiqué précédemment, le couplage quantique entre les différentes couches du super-réseau engendre la création d’une bande de conduction effective avec un niveau d’énergie minimum effectif Ecetf et d’une bande de valence effective avec un niveau d’énergie maximum effectif Eveff. Le gap d’énergie effectif du superréseau Egeff = Eceff - Eveff est égale à 0,488eV. Ainsi, selon la relation Planck- Einstein, la fréquence de coupure Àc=hc/ Egeff «2,5pm avec h la constante de Planck et c la célérité de la lumière dans le vide.
[0071] D’où le super réseau en accord de maille avec un substrat InP avec une groupe élémentaire G0= GaAsyOSbi-yo/lnxoGai-xOAs et des épaisseurs e1 =e2=7nm permet d’atteindre la longueur d’onde de coupure de 2,5pm. On entend par recouvrement en énergie de gap dans ce cas la différence entre la première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et la deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2. Le choix d’une épaisseur de 7nm est imposé par une valeur de recouvrement en énergie de gap égale à 0,380 eV.
[0072] Cependant, les trous dans les puits de potentiel au niveau de la première couche C1 voient un fort potentiel obtenu par la combinaison d’une large épaisseur de couches (7nm/7nm) et une haute différence de potentiel entre Evetf et Ev2 évaluée à 0,350 eV. L’effet du potentiel vu par les trous se manifeste dans l’augmentation de la masse effective des trous lourds dans la bande de valence effective qui est quantifiée dans cette combinaison à 71 fois la masse d’un électron libre notée m0. Cela correspond à une dégradation du rendement optique de plus d’un facteur de 10 par rapport à une structure planaire d’absorption présentant des performances électro-optiques acceptables. Généralement, un détecteur infra-rouge présente des performances électro-optiques acceptables pour des valeurs de masse effectives des trous inférieures à 3 fois la masse d’un électron libre m0.
[0073] Le tableau 1 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR0 avec G0= GaAsyoSbi-yo/lnxoGai-xoAs en accord de maille sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm.
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[0074] Il a été établit par les résultats exposés qu’un super réseau SR0 avec G0= GaAsyoSbi-yo/lnxoGai-xoAs en accord de maille sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques non satisfaisantes et un rendement quantique faible avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel très élevées. Ainsi, le super réseau SR0 à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 9,8 fois la masse d’un électron libre m0. Le super réseau SR0 à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 52 fois la masse d’un électron libre m0 . Le super réseau SRO à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 71 ,8 fois la masse d’un électron libre m0.
[0075] La figure 1 e illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau SRO de la figure 1 c obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat.
[0076] La figure 1 e reprend la même structure du super-réseau SRO de la figure 1 c mais avec des fractions molaires différentes des alliages composant les couches du super-réseau. Ce changement de composition contrôlé par le dosage des composants de l’alliage lors de la phase de croissance par épitaxie engendre un dépôt de couches qui ne sont pas en accord de maille avec le substrat en InP. Il a été déjà expliqué que ce décalage des mailles engendre des contraintes mécaniques internes sur les mailles cristallines des couches C1 et C2 pour s’aligner avec les mailles cristallines du substrat SUB, d’où l’obtention du nouveau diagramme de potentiel décrit dans la figure 1 d. Le super réseau S’0 dans ce cas est dit super réseau monté « avec une contrainte compensée ».
[0077] Le diagramme de potentiel de la figure 1 e correspond à un super-réseau avec contraintes compensées sur un substrat en InP et avec un groupe élémentaire G’0 composé d’une première couche C1 en GaAs oSbiyo et une deuxième couche C2 en lnX’oGai-X’oAs ; x’0=0,25 est la fraction molaire d’indium dans l’alliage lnxoGai-xoAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP et y’0=0,2 est la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAs oSbiyo avec une contrainte compensée sur un substrat InP. Pour atteindre la fréquence de coupure de 2,5pm, l’épaisseur e1 de la couche C1 en GaAs oSbiyo peut être réduite à 2,9nm et l’épaisseur e2 de la couche C2 en lnX’OGai-X’oAs peut être réduite à 2,9nm.
[0078] Les mailles de la couche C1 en GaAsyoSbiyo subissent des contraintes de compression ; les mailles de la couche C2 en lnxoGai-xoAs subissent des contraintes de tension. Les contraintes internes appliquées sur les mailles des couches des super réseaux ne doivent pas dépasser une limite de dislocation. La somme des contraintes subies par le groupe élémentaire G’0 est nulle. [0079] Le diagramme de potentiel de la figure 1 e présente la structure des bandes de valence et de conduction selon le même axe A que celui de la figure 1 d. Il s’agit d’un diagramme de potentiel de type 2 comme expliqué précédemment présentant des valeurs différentes. En effet, les contraintes internes subies par les mailles engendrent un phénomène quantique connu par le terme « levée de la dégénérescence ». La « levée de la dégénérescence >> consiste en une séparation des niveaux d’énergie occupés par les trous lourds et les trous légers. On assiste ainsi dans les premières couches C1 et les deuxièmes couches C2 à la distinction entre un niveau d’énergie maximal de bande de valence occupée par les trous lourds notée Ev1 -HH (respectivement Ev2-HH) et un niveau d’énergie maximal de bande de valence occupée par les trous légers notée Ev1 -LH (respectivement Ev2-LH). De plus, une modification de la position de la bande de conduction et des bandes de valence se produit sous l’effet de la contrainte. Quand il s’agit d’une contrainte de tension, le gap d’énergie diminue (minimum de la bande de conduction diminue et maximum de la bande de valence augmente). Quand il s’agit d’une contrainte de compression, le gap d’énergie augmente (minimum de la bande de conduction augmente et maximum de la bande de valence diminue). Cela permet de réduire le recouvrement en énergie de gap énergétique à 240meV permettant de réduire l’épaisseur de la première couche C1 ainsi que l’épaisseur de la deuxième couche C2 à 2,9nm.
[0080] Le couplage quantique entre les différentes couches du super-réseau engendre la création d’une bande de conduction effective avec un niveau d’énergie minimum effectif Ecetf et d’une bande de valence effective avec un niveau d’énergie maximum effectif Eveff . Le gap d’énergie effectif du super-réseau Egeff = Eceff - Eveff est égale à 0,492eV. Ainsi, selon la relation Planck-Einstein, la fréquence de coupure Àc=hc/ Egeff =2,5pm avec h la constante de Planck et c la célérité de la lumière dans le vide.
[0081 ] D’où le super réseau SR’0 avec contrainte compensée sur un substrat InP avec un groupe élémentaire G0= GaASy’oSbiyo/lnX’oGai-x’oAs et des épaisseurs e1 =e2=2,9nm permet d’atteindre la longueur d’onde de coupure de 2,5pm. Cependant, les trous dans les puits de potentiel au niveau de C1 voient toujours un fort potentiel obtenu par la combinaison d’une large épaisseur de couches (2,9nm/2,9nm) et une haute différence de potentiel entre Eveff et Ev2 évaluée à 0,520 eV. L’effet du potentiel vu par les trous se manifeste dans l’augmentation de la masse effective des trous lourds dans la bande de valence effective qui est quantifié dans cette combinaison à 24 fois la masse d’un électron libre.
[0082] Le tableau 2 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR’0 avec G’0= GaAsy’oSbi- o/lnX’oGai-x’oAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm à une température de fonctionnement de 300K.
Figure imgf000021_0001
[0083] Il a été établi par les résultats exposés qu’un super réseau SR’0 avec G’0= GaASy’oSbi-y’o/lnX’oGai-X’oAs avec une contrainte compensée sur un substrat In P peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques non satisfaisantes et un rendement quantique faible avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel très élevés. Ainsi, le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 1 ,2 fois la masse d’un électron libre m0. Le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 6 fois la masse d’un électron libre m0. Le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 24 fois la masse d’un électron libre m0. On remarque une amélioration par rapport au super réseau SR0 en accord de maille mais cette amélioration reste insuffisante et plus particulièrement pour les longueurs d’onde de coupure 2,3pm et 2,5pm. Nous avons montré dans le passages précédents les limites de l’utilisation d’un super-réseau à deux couches pour réaliser une structure planaire d’absorption SPA d’un pixel Pxl appartenant à un détecteur infrarouge fonctionnant avec une fréquence de coupure dans la partie supérieure du domaine SWIR à des températures non cryogéniques. L’invention propose une nouvelle structure de super-réseau permettant de surmonter les limites des structures de super réseau à deux couches pour des fréquences de coupures entre 2,1 pm et 2,5pm avec un bon rendement quantique grâce à la baisse de la masse effective des trous.
[0084] La figure 2a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[0085] La figure 2b illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau selon le premier mode de réalisation de l’invention obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat SUB.
[0086] Le pixel Pxl comprend un super-réseau SR1 comprenant un empilement le long de l’axe du pixel A d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices G1. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire G1 sont réalisées avec une contrainte compensée. Le groupe élémentaire G1 répété périodiquement comprend dans cet ordre :
- une première couche C1 en un premier matériau semi-conducteur SC1 .
- une deuxième couche C2 en un deuxième matériau semi-conducteur SC2.
- une troisième couche C3 en un troisième matériau semi-conducteur SC3.
- Une couche C’2 ayant la même composition que la couche C2 mais pouvant avoir une épaisseur différente e’2.
Le premier mode de réalisation correspond ainsi à un super réseau SR1 basé sur le groupe élémentaire suivant : G 1 =(C1/C2/C3/C’2).
[0087] Le premier matériau semi-conducteur SC1 de la couche C1 présente un premier gap d’énergie Eg1 , une première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et une première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 .
[0088] Le deuxième matériau semi-conducteur SC2 de la couche C2 présente un deuxième gap d’énergie Eg2, une deuxième valeur de maximum de bande de valence Ev2 inférieure à la première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et une deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2 inférieure à la première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 . [0089] Le troisième matériau semi-conducteur SC3 de C3 présente un troisième gap d’énergie Eg3 strictement inférieur au premier et au deuxième gap d’énergie Eg1 et Eg2 et une troisième valeur de minimum de bande de conduction Ec3 inférieure à la deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2. D’une façon générale, l’insertion de la troisième couche C3 dans le super-réseau avec un matériau semi- conducteur SC3 à gap d’énergie réduit permet de réduire le recouvrement en énergie de gap REG. La réduction du recouvrement en énergie de gap REG donne la possibilité d’opter pour une épaisseur totale du groupe élémentaire G1 plus réduite dans le domaine des longueurs d’onde de coupure ciblées. La réduction de l’épaisseur du groupe élémentaire G1 permet de baisser la barrière de potentiel vue par les trous confinés dans les puits de potentiel et ainsi réduire leur masse effective, augmenter le rendement quantique et la mobilité des porteurs de charges positives.
[0090] La première couche C1 est en compression, la deuxième couche C2 est en tension et la troisième couche C3 est en compression. La somme des contraintes subies par un groupe élémentaire G1=( C1/C2/C3/C’2) est nulle.
[0091] A titre d’exemple, et sans perte de généralité, il est possible de réaliser le super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation via un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Pour illustrer ce mode de réalisation, la figure 2b décrit spécifiquement le diagramme de potentiel obtenu par le super-réseau SR1 avec les caractéristiques de dimensionnement et de compositions suivantes.
[0092] Dans l’exemple de la figure 2b, la longueur d’onde de coupure visée est 2,5pm. Pour obtenir cette longueur de coupure, les matériaux composants le super réseau selon le premier mode de réalisation de la façon suivante : la première couche C1 est réalisée avec l’alliage ternaire GaAsyiSbi-yi avec une fraction molaire d’arsenic y1 = 0,35 et une épaisseur e1 =1 ,2nm ;la deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire lnxiGai-xiAs avec une fraction molaire d’indium x1 = 0,25 et une épaisseur e2=0,6nm pour sa première utilisation (C2) dans le groupe élémentaire G1 et e’2=0,9nm pour sa seconde utilisation (C’2) dans le groupe élémentaire G1. La troisième couche C3 insérée entre les deux couches (C2, C’2) est réalisée avec l’arséniure d'indium InAs un composite binaire semi-conducteur de type lll-V avec un gap d’énergie réduit. L’épaisseur de la troisième couche C3 notée e3 est égale à 0,7nm.
[0093] Nous observons sur le diagramme de potentiel de la figure 2b, l’effet de l’insertion de la couche C3 en InAs combiné avec une croissance avec contrainte compensée qui va séparer les niveaux des trous lourds et trous légers. L’effet obtenu consiste en la réduction du recouvrement en énergie de gap REG et donc la possibilité d’utiliser des épaisseurs e1 , e2 et e3 de l’ordre de 1 nm pour chaque couche. Dans ce cas, le recouvrement en énergie de gap est effectif et il correspond à une combinaison des recouvrements en énergie de gap des différentes couches qui composent le super réseau. On obtient alors un pixel avec une valeur de gap effectif Egeff= Ecetf - Eveff égale à 0,493eV (Àc=hc/ Egeff «2,5pm) avec une épaisseur totale du groupe élémentaire G1 de 2,2nm, et une basse différence de potentiel entre Eveff et Ev2 évaluée à 0,360eV. La réduction de ces deux caractéristiques permet de baisser la barrière de potentiel des puits (couche C1 ) dans le super-réseau SR1 vue par les trous. La masse effective des trous est réduite à 2,8 fois la masse d’un électron libre pour une longueur d’onde de coupure de 2,5pm.
[0094] Le tableau 3 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec G1 = GaAsyiSbi- yi/lnxiGai-xiAs/lnAs/lnxiGai-xiAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm à une température de fonctionnement de 300K.
Figure imgf000024_0001
[0095] Il a été établi par les résultats exposés qu’un super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation de l’invention avec G1 = GaAsyiSbi-yi/lnxiGai- xiAs/lnAs/lnxiGai-xiAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm avec des performances électro-optiques améliorées et un rendement quantique plus haut avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel réduite par rapport aux résultats obtenues avec une structure planaire absorbante constituée d’un super réseau à deux couches. Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 0,89 fois la masse d’un électron libre m0 (comparé à 2,1 xm0 pour SR’O et 9,8xm0 pour SRO). Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 1 ,2 fois la masse d’un électron libre m0 (comparé à 6xm0 pour SR’O et 52xm0 pour SRO). Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 2,8 fois la masse d’un électron libre m0 (comparé à 24xm0 pour SR’O et 71 ,8xm0 pour SRO). D’une façon plus générale, l’insertion d’une couche mince en un matériau à faible gap d’énergie dans le groupe élémentaire du super-réseau entre deux couches C2 permet de réduire la masse effective des trous au niveau des puits de potentiel. Les valeurs obtenues sont assez proches de celles des matériaux massifs et permettant d’obtenir un bon rendement quantique interne pour des longueurs d’ondes entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques. Le groupe élémentaire G 1 =(01/02/03/02) du super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation peut être réalisé avec une première couche C1 en GaAsySbi-y et une fraction molaire d’arsenic y inférieure à ymax =0,55 ; une deuxième couche C2 en lnxGai-xAs et une fraction molaire d’indium x inférieure à xmax =0,55.
[0096] La limite maximale de la fraction molaire, ymax=0,55 s’explique par l’inversion du sens de la contrainte pour des valeurs au-delà de yaccord=0,52 correspondant à l’accord de maille pour la fraction molaire d’arsenic y dans GaAsySbi-y sur un substrat InP. L’inversement du sens des contraintes (tension/compression) fait augmenter le recouvrement en énergie de gap de et donc réduire la longueur d’onde de coupure. On tolère un dépassement de cette limite jusqu’à ymax=0,55 car l’effet de l’inversement est réduit permettant toujours d’avoir un fonctionnement avec une fréquence de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques en dessous de ymax=0,55.
[0097] La limite maximale de la fraction molaire, xmax=0,55 s’explique par l’inversion du sens de la contrainte pour des valeurs au-delà de xaccord=0,53 correspondant à l’accord de maille pour la fraction molaire d’indium x dans lnxGai-xAs sur un substrat InP. L’inversement du sens des contraintes (tension/compression) fait augmenter le recouvrement en énergie de gap et donc réduire la longueur d’onde de coupure. On tolère un dépassement de cette limite jusqu’à xmax=0,55 car l’effet de l’inversement est réduit permettant toujours d’avoir un fonctionnement avec une fréquence de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques en dessous de ymax=0,55.
[0098] Ces choix de fractions molaires des alliages utilisés pour la réalisation du super réseau permettent d’appliquer des valeurs de contraintes sur les mailles des réseaux cristallins des couches du super réseau de façon à de réduire la barrière de potentiel vue par les trous tout en restant inférieur aux contraintes limites de dislocations qui fragilisent la structure mécanique du dispositif. Les contraintes et les épaisseurs de chaque couche C1 , C2 et C3 du groupe élémentaire G1 doivent respecter l’inégalité suivante pour éviter les phénomènes de dislocation : < 4000 ppm
Figure imgf000026_0001
[0099] Avec ej l’épaisseur de la ieme couche Ci du groupe élémentaire G1 , et la contrainte subie par les mailles de la ieme couche Ci du groupe élémentaire G1 .
[0100] La figure 3a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un second mode de réalisation de l’invention.
[0101] La figure 3b illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat SUB.
[0102] Le pixel Pxl comprend un super-réseau SR2 comprenant un empilement le long de l’axe du pixel A d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices G2. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire G2 sont réalisées avec une contrainte compensée. Le groupe élémentaire G2 répété périodiquement comprend dans cet ordre :
- La deuxième couche C2 en un deuxième matériau semi-conducteur SC2 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.
- La troisième couche C3 en un troisième matériau semi-conducteur SC3 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.
- La première couche C1 en un premier matériau semi-conducteur SC1 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.
Le second mode de réalisation correspond ainsi à un super réseau SR2 basé sur le groupe élémentaire suivant : G2=(C2/C3/C1 ).
[0103] La première couche C1 est en compression, la deuxième couche C2 est en tension et la troisième couche C3 est en compression. La somme des contraintes subies par un groupe élémentaire G2=(C2/C3/C1 ) est nulle.
[0104] A titre d’exemple, et sans perte de généralité, il est possible de réaliser le super-réseau SR2 selon le premier mode de réalisation via un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Pour illustrer ce mode de réalisation, la figure 3b décrit spécifiquement le diagramme de potentiel obtenu par le super-réseau SR2 avec les caractéristiques de dimensionnement et de compositions suivantes :
[0105] Dans l’exemple de la figure 3b, la longueur d’onde de coupure visée est 2,5pm. La première couche C1 est réalisée avec l’alliage ternaire GaAsyiSbi.yi avec une fraction molaire d’arsenic y1 = 0,35 et une épaisseur e1 =1 ,2nm. La deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire lnxiGai-xiAs avec une fraction molaire d’indium x1 = 0,25 et une épaisseur e2=1 ,5nm. La troisième couche C3 insérée entre les couches C2 et C2 est réalisée avec l’arséniure d'indium InAs un composite binaire semi-conducteur de type lll-V avec une énergie de gap réduite. L’épaisseur de la troisième couche C3 notée e3 est égale à 0,7nm.
[0106] Comme expliqué précédemment, nous constatons sur le diagramme de potentiel de la figure 3b, l’effet de l’insertion de la couche C3 en InAs combiné avec une croissance avec contrainte compensée qui va séparer les niveaux des trous lourd et trous légers. L’effet obtenu consiste en la réduction du recouvrement en énergie de gap et donc la possibilité d’utiliser des épaisseurs e1 , e2 et e3 de l’ordre de 1 nm pour chaque couche. Dans ce cas, le recouvrement en énergie de gap est effectif et il correspond à une combinaison des recouvrements en énergie de gap des différentes couches qui composent le super réseau. On obtient alors un pixel avec une valeur de gap effectif Egeff= Ecetf - Eveff égale à 0,49eV (Àc=hc/ Egeff «2,5pm ) avec une épaisseur totale du groupe élémentaire G2 de 2,2nm, et une basse différence de potentiel entre Evetf et Ev2 évaluée à 0,360eV. La réduction de ces deux caractéristiques permet de baisser la barrière de potentiel des puits (couche C1) dans le super-réseau SR1 vue par les trous. La masse effective des trous est réduite à 2,8 fois la masse d’un électron libre pour une longueur d’onde de coupure de 2,5pm.
[0107] Le super réseau SR2 selon le second mode de réalisation de l’invention avec G2=lnxiGai-xiAs/lnAs/GaAsyiSbi-yi avec une contrainte compensée sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm avec des performances électro-optiques améliorées et un rendement quantique plus haut avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel réduite par rapport aux résultats obtenues avec une structure planaire absorbante constituée d’un super réseau à deux couches.
[0108] D’une façon plus générale, l’insertion d’une couche mince en un matériau à faible gap d’énergie dans le groupe élémentaire du super-réseau permet de réduire la masse effective des trous au niveau des puits de potentiel. Les valeurs obtenues sont assez proches de celles des matériaux massifs et permettant d’obtenir un bon rendement quantique interne pour des longueurs d’ondes entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques. Le groupe élémentaire G2=(C2/C3/C1 ) du super-réseau SR2 selon le second mode de réalisation peut être réalisé avec une première couche C1 en GaAsySbi-y et une fraction molaire d’arsenic y inférieure à 0,55 ; une deuxième couche C2 en lnxGai-xAs et une fraction molaire d’indium x inférieure à 0,55. Les mêmes explications sur le choix des valeurs de fractions molaires détaillées précédemment restent applicables pour cette architecture. Ces choix de fractions molaires des alliages utilisés pour la réalisation du super réseau permettent d’appliquer des valeurs de contraintes sur les mailles des réseaux cristallins des couches du super réseau de façon à de réduire la barrière de potentiel vue par les trous tout en restant inférieur aux contraintes limites de dislocations qui fragilisent la structure mécanique du dispositif. Les contraintes et les épaisseurs de chaque couche C1 , C2 et C3 du groupe élémentaire G2 doivent respecter l’inégalité suivante pour éviter les phénomènes de dislocation : < 4000 ppm
Figure imgf000029_0001
[0109] Avec e, l’épaisseur de la ieme couche Ci du groupe élémentaire G2, et la contrainte subie par les mailles de la ieme couche Ci du groupe élémentaire G2.
[0110] D’une façon générale, pendant l’opération d’épitaxie, les compositions des matériaux utilisés pour réaliser les couches semi-conductrices des groupes élémentaires G1 (ou G2) sont choisis tel que le diagramme de bandes de conduction et de valence selon la direction d’empilement du super réseau SR1 (ou SR2) présente un gap d’énergie effectif Egeff entre 400 meV et 750meV pour obtenir un dispositif détecteur ayant une fréquence de coupure (Ac) choisie entre 1 ,6pm et 3,1 pm.
[0111] La figure 4 illustre des courbes des résultats de simulation de l’absorption pour un super-réseau selon l’état de l’art et un super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention pour une longueur d’onde de coupure à 2,3pm.
[0112] L’énergie absorbée de 0,54eV correspond à une longueur d’onde de coupure de 2,3pm. On démontre ici l’avantage de la structure planaire d’absorption SPA basée sur un super réseau selon l’invention par rapport à la solution avec un super réseau ayant un groupe élémentaire à deux couches. A titre d’exemple, pour une longueur d’onde incidente de 2pm (équivalent à 0,6eV) la solution selon l’invention présente une absorption de l’onde incidente trois fois supérieure à celle d’un super réseau ayant un groupe élémentaire à deux couches. [0113] La figure 5a illustre une vue en coupe d’un premier exemple de pixel Pxl comportant une structure planaire absorbante selon l’invention. La figure 5b illustre un schéma de diagramme de bande selon l’axe du pixel Pxl de la figure 5a.
[0114] Le pixel Pxl comprend le long de la direction d’empilement Z (où l’axe du pixel) dans cet ordre : le substrat SUB présentant les caractéristiques détaillées précédemment, une couche contact inférieur CONTJNF en un cinquième matériau semi-conducteur SC5 dopé N+, une structure planaire absorbante SPA selon l’invention avec des couches C1 , C2 et C3 dopées N et une couche contact supérieur CONT_SUP en un sixième matériau semi-conducteur SC6 dopé P présentant :
[0115] Le cinquième matériau semi-conducteur SC5 présente une cinquième valeur de maximum de bande de valence Ev5 strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Evetf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.
[0116] Le cinquième matériau semi-conducteur SC5 présente en outre un gap d’énergie Eg5 supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective Egeff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.
[0117] A titre d’exemples non limitatifs, il est possible d’utiliser les matériaux suivants pour réaliser le contact inférieur InGaAs dopé N+ ou InAIAs dopé N+ ou InP dopé N+.
[0118] Alternativement, il est possible de réaliser le contact inférieur CONTJNF avec un super-réseau SRJNF avec un empilement de couches dopées N+. Le super réseau utilisé pour le contact inférieur CONTJNF présente une valeur de maximum de bande de valence effective Eveffjnf strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Eveff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention. Le super réseau utilisé pour le contact inférieur CONTJNF présente en outre un gap d’énergie effectif Egeffjnf supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective Egeff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.
[0119] Le sixième matériau semi-conducteur SC6 utilisé pour réaliser le contact supérieur CONT_SUP présente une sixième valeur de maximum de bande de valence Ev6 strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Evetf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b. [0120] Le sixième matériau semi-conducteur SC6 présente en outre une sixième valeur de minimum de bande de conduction Ec6 strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective Ecetf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.
[0121] A titre d’exemples non limitatifs, il est possible d’utiliser les matériaux suivants pour réaliser le contact supérieur InGaAs dopé P+ ou InAIAs dopé P+ ou InP dopé P+.
[0122] Alternativement, il est possible de réaliser le contact supérieur CONT_SUP avec un super-réseau SR_SUP avec un empilement de couches dopées P. Le super réseau utilisé pour le contact supérieur CONT_SUP présente une valeur de maximum de bande de valence effective Eveff_sup strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Eveff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention . Le super réseau utilisé pour le contact supérieur CONT_SUP présente en outre une valeur de minimum de bande de conduction Eceff_SUp strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective Ecetf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.
[0123] Dans le cas où le pixel est délimité par des zones de dopage tel que détaillé dans la figure 1 b, le dopage P utilisé pour réaliser le contact supérieur CONT_SUP peut diffuser partiellement dans le volume de la zone absorbante au niveau de l’interface avec le sixième matériau semi-conducteur SC6 (ou le super réseau SR_SUP). On considère ainsi que cette zone fait partie du contact supérieur CONT-SUP.
[0124] La figure 5b illustre une vue en coupe d’un second exemple de pixel Pxl comportant une structure planaire absorbante selon l’invention. La figure 5d illustre un schéma de diagramme de bande selon l’axe du pixel Pxl de la figure 5b.
[0125] Le pixel Pxl de la figure 5c reprend les mêmes caractéristiques du pixel décrit précédemment illustré par la figure 5a. L’empilement du pixel Pxl de la figure 5c se démarque par l’insertion d’une structure supplémentaire notée structure de transition C_trans confinée entre la structure planaire d’absorption et le contact supérieur CONT_SUP tel qu’illustré sur la figure 5d.
[0126] La structure de transition C_trans est réalisée en un septième matériau semi- conducteur SC7 dopé N présentant une septième valeur de minimum de bande de conduction Ec7 comprise entre d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective Ecetf du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la sixième valeur de minimum de bande de conduction Ec6 tel qu’illustré sur la figure 5d.
[0127] Alternativement, en considérant le cas où le contact supérieur CONT_SUP est réalisé avec un super-réseau avec des couches dopées P+, la septième valeur de minimum de bande de conduction Ec7 est comprise entre d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective Ecetf du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la valeur minimum de bande de conduction effective Eceff_SUp du super réseau du contact supérieur CONT_SUP tel qu’illustré sur la figure 5d.
[0128] Le septième matériau semi-conducteur SC7 dopé P présente en outre une septième valeur de maximum de bande de valence Ev7 comprise entre d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective Evetf du premier super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention et d’autre part la sixième valeur de maximum de bande de valence Ev6 tel qu’illustré sur la figure 5d.
[0129] Alternativement, en considérant le cas où le contact supérieur CONT_SUP est réalisé avec un super-réseau avec des couches dopées P+, la septième valeur de maximum de bande de valence Ev7 est comprise entre d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective Eveff du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la valeur maximum de bande de valence effective Eveff_SUp du super réseau du contact supérieur CONT_SUP.
[0130] D’un point de vue dimensionnement, il est possible de réaliser la structure de transition C_TRAN avec une couche en matériau massif semi-conducteur comme l’alliage ternaire ln0,53Ga0,47As dopé N- avec une épaisseur comprise entre 1 pm et 3pm déposée sur le super réseau selon l’invention ayant une épaisseur globale comprise entre 1 pm et 3pm.
[0131 ] La figure 6 illustre une vue en coupe d’un dispositif D1 de détection de rayonnements infrarouges comprenant une pluralité de pixels Pxl selon l’invention.
[0132] Le dispositif un dispositif D1 de détection de rayonnements infrarouges est monté sur le substrat SUB. Il s’agit d’un système hybride optoélectronique, comprenant : une partie optique OPT basée sur une matrice formée par une pluralité de pixels arrangé en lignes et en colonnes et une partie électronique consistant en un circuit de lecture intégré ROIC sur un substrat semi-conducteur permettant de lire individuellement le signal de chaque pixel de la partie optique OPT. Un pixel appartenant au système optoélectronique peut contenir un unique élément photosensible ou une pluralité d’éléments photosensibles connectés entre eux.
[0133] Alternativement, pour des applications spécifiques, il est envisageable de réaliser la partie optique OPT avec un unique pixel Pxl.
[0134] Le circuit intégré de lecture ROIC est réalisé au moyen d’une pluralité de transistors et de couches minces en matériau conducteurs, semi-conducteurs ou diélectriques selon la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) sur un substrat en silicium. Pour chaque pixel Pxl, une électrode enterrée est associée pour lire les signaux générés par les porteurs de charges photo générés par la structure photo détectrice d’un pixel Pxl.
[0135] En guise de conclusion, l’invention décrite propose une nouvelle structure de super-réseau pour réaliser la structure planaire absorbante d’un pixel de détection dans le domaine de l’infrarouge court. La structure de super-réseau selon l’invention permet d’atteindre les longueurs d’ondes de coupures ciblées au-delà de 2.1 pm tout en réduisant la masse effective des porteurs de charges positives (trous) ce qui améliorate le rendement quantique du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art sur InP.. De plus, le procédé de fabrication et les choix de matériaux du superréseau selon l’invention sont compatibles avec des filières technologiques de procédé de fabrication matures tel que la filière technologique basées sur des substrat In P.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges comprenant au moins un pixel (Pxl), un pixel comprenant une structure planaire d’absorption (SPA) ; ladite structure planaire d’absorption (SPA) comprenant : un premier super-réseau (SR1 , SR2) comprenant un empilement le long d’une direction d’empilement (Z) d’un groupe élémentaire de couches semi- conductrices (G1 , G2) ; les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire (G1 , G2) étant chacune agencée selon une structure cristalline de mailles ; ledit groupe élémentaire comprenant :
■ une première couche (C1 ) en un premier matériau semi-conducteur (SC1 ) présentant o un premier gap d’énergie (Eg1 ) o et une première valeur de minimum de bande de conduction (Ec1 ) ;
■ au moins une deuxième couche (C2) en un deuxième matériau semi- conducteur (SC2) présentant o un deuxième gap d’énergie (Eg2) o et une deuxième valeur de minimum de bande de conduction (Ec2) strictement inférieure à la première valeur de minimum de bande de conduction (Ec1 ) ;
■ une troisième couche (C3) en un troisième matériau semi-conducteur (SC3) présentant o un troisième gap d’énergie (Eg3) inférieur au premier et au deuxième gap d’énergie (Eg1 , Eg2) ; o et une troisième valeur de minimum de bande de conduction (Ec3) strictement inférieure à la deuxième valeur de minimum de bande de conduction (Ec2); le groupe élémentaire (G1 , G2) étant réalisé
■ selon une première configuration d’empilement selon l’ordre suivant : la deuxième couche (C2), la troisième couche (C3), la deuxième couche (C2) puis la première couche (C1 ) .
■ ou selon une seconde configuration d’empilement tel que la troisième couche (C3) soit confinée entre la première et la deuxième couche (C1 , C2). Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 1 tel que le premier matériau semi-conducteur (SC1 ) présente en outre une première valeur de maximum de bande de valence (Ev1 ) et le deuxième matériau semi- conducteur (SC2) présente en outre une deuxième valeur de maximum de bande de valence (Ev2) strictement inférieure à la première valeur de maximum de bande de valence (Ev1 ). Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel le premier super-réseau (SR1 , SR2) est réalisé par épitaxie sur un substrat (Sub) en un quatrième matériau semi- conducteur (SC4) arrangé selon une structure cristalline de mailles ;
Ledit premier super-réseau (SR1 , SR2) étant réalisé tel que, pour chaque couche semi-conductrice (C1 , C2, C3) du premier super-réseau (SR1 , SR2), les mailles d’une couche semi-conductrice (C1 , C2, C3) subissent des contraintes mécaniques internes pour s’adapter aux mailles de la structure cristalline du substrat (SUB) .. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 3 dans lequel le premier, le deuxième, le troisième et le quatrième matériau semi- conducteur (SC1 , SC2, SC3, SC4) sont de type lll-V. . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 4 dans lequel le quatrième matériau semi-conducteur (SC4) est le phosphure d'indium (InP). . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 4 à 5 dans lequel les compositions des matériaux utilisés pour réaliser les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire sont choisis tel que le diagramme de bandes de conduction et de valence selon la direction d’empilement (Z) du premier super réseau présente un gap d’énergie effectif (Egeff), une valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff) et une valeur de minimum de bande de conduction effective (Eceft) ; ledit gap d’énergie effectif (Egeff) étant entre 400 meV et 750meV. . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 6 dans lequel la masse effective des porteurs de charges positives dans le super réseau (SR1 , SR2) selon la direction de l’empilement (Z) est inférieure à trois fois la masse d’un électron libre. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconques des revendications 4 à 7 dans lequel le troisième matériau semi- conducteur (SC3) est le composite binaire InAs . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconques des revendications 4 à 8 dans lequel le deuxième matériau semi- conducteur (SC2) est l’alliage ternaire lnxGai-xAs ; avec x la fraction molaire d’indium dans l’alliage lnxGai-xAs. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 9 dans lequel la fraction molaire x d’indium In dans le deuxième matériau semi- conducteur (SC2) est inférieure à 0,55 . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconques des revendications 4 à 10 dans lequel le premier matériau semi- conducteur (SC1 ) est l’alliage ternaire GaAsySbi-y ; avec y la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAsySbi-y . Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon la revendication 11 dans lequel la fraction molaire y d’arsenic As dans le premier matériau semi- conducteur (SC1 ) est inférieure à 0,55. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 9 à 12 dans lequel le rapport entre d’une part la somme des épaisseurs des couches (C1 ,C2,C3) du groupe élémentaire (G1 ,G2) pondérées par l’amplitude des contraintes subies par chaque couche (C1 ,C2,C3) ; et d’autre part l’épaisseur totale du groupe élémentaire (G1 ,G2) ; est inférieur ou égale à une valeur prédéterminée. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 9 à 13 dans lequel les contraintes subies par les mailles de la couche de lnxGai-xAs sont des contraintes de tension ; et les contraintes subies par les mailles de la couche de GaAsySbi-y sont des contraintes de compression. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 9 à 14 dans lequel l’amplitude d’une contrainte subie par les mailles d’une couche quelconque (C1 ,C2, C3) du groupe élémentaire (G1 ) est inférieure à une contrainte limite de dislocation. Dispositif de détection (D1 ) de rayonnements infrarouges selon l’une quelconque des revendications 9 à 15 dans lequel l’épaisseur d’une couche (C1 ,C2, C3) du groupe élémentaire (G1 ) est comprise entre 0,3nm et 10nm. Dispositif de détection (D1 ) selon l’une quelconque des revendications 6 à 16 dans lequel un pixel comprend le long de la direction d’empilement (Z) dans cet ordre :
■ le substrat (SUB) ;
■ Une couche contact inférieur (CONTJNF) en un cinquième matériau semi- conducteur dopé N+ (SC5) présentant : o une cinquième valeur de maximum de bande de valence (Ev5) strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et un cinquième gap d’énergie (Eg5) supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective (Egeff) du premier super réseau (SR1 , SR2).
■ La structure planaire absorbante (SPA) ; dans laquelle les couches semiconductrices (C1 , C2, C3) du premier super-réseau (SR1 , SR2) sont dopées N.
■ Une couche contact supérieur (CONT_SUP) en un sixième matériau semi- conducteur (SC6) dopé P+ présentant : o une sixième valeur de maximum de bande de valence (Ev6) strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et une sixième valeur de minimum de bande de conduction (Ec5) strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective (Eceff) du premier super réseau (SR1 , SR2) . Dispositif de détection (D1 ) selon l’une quelconque des revendications 6 à 16 dans lequel un pixel comprend le long de la direction d’empilement (Z) dans cet ordre :
■ le substrat (SUB) ;
■ Un contact inférieur (CONTJNF) réalisé par un deuxième super-réseau (SRJnf) dopé N+ présentant respectivement : o une deuxième valeur de maximum de bande de valence effective (Eveffjnf) strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective (Evetf) du premier super réseau (SR1 , SR2); o une deuxième gap d’énergie effectif (Egeffjnf) supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective (Egeff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ;
■ La structure planaire absorbante (SPA) ; dans laquelle les couches semiconductrices (C1 , C2, C3) du premier super-réseau (SR1 , SR2) sont dopées N.
■ Un contact supérieur (CONT_SUP) réalisé par un troisième super-réseau (SR_sup) présentant respectivement : o une troisième valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff sup) strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o une troisième valeur de minimum de bande de conduction effective (Eceff_sup) strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective (Ecetf) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; Dispositif de détection (D1 ) selon la revendication 17 dans lequel la structure planaire absorbante (SPA) comprend en outre une couche de transition (C_trans) en un septième matériau semi-conducteur (SC7) dopé N présentant :
■ une septième valeur de minimum de bande de conduction (Ec7) comprise entre : o d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective (Eceff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et d’autre part la sixième valeur de minimum de bande de conduction (Ec6); ■ une septième valeur de maximum de bande de valence (Ev7) comprise entre o d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective (Evetf) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et d’autre part la sixième valeur de maximum de bande de valence (Ev6); la couche de transition (C_trans) étant confinée entre le super réseau (SR1 , SR2) et la couche contact supérieur (CONT_SUP). Dispositif de détection (D1 ) selon la revendication 18 dans lequel la structure planaire absorbante (SPA) comprend en outre une couche de transition (C_trans) en un cinquième matériau semi-conducteur (SC7) dopé N présentant :
■ une cinquième valeur de minimum de bande de conduction (Ec7) comprise entre : o d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective (ECeff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et d’autre part, la troisième valeur de minimum de bande de conduction effective (Eceff_SUp) ;
■ une cinquième valeur de maximum de bande de valence (Ev7) comprise entre o d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff) du premier super réseau (SR1 , SR2) ; o et d’autre part la troisième valeur de maximum de bande de valence effective (Eveff-sup) ; la couche de transition (C_trans) étant confinée entre le super réseau (SR1 , SR2) et la couche contact supérieur (CONT_SUP).
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