FR2572588A1 - Photodetecteur integrable de facon monolithique - Google Patents
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Abstract
PHOTODETECTEUR CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN PHOTOCONDUCTEUR INTEGRE DE FACON MONOLITHIQUE AVEC UN TRANSISTOR A ELECTRONS A HAUTE MOBILITE SUR UN SUBSTRAT COMMUN SEMI-ISOLANT 8, EN CE QUE LE PHOTODETECTEUR COMPREND UNE PREMIERE COUCHE D'UN TYPE DE CONDUCTIBILITE DISPOSEE SUR LE SUBSTRAT SEMI-ISOLANT ET COMPORTANT UNE COUCHE DE CANAL 9, UNE SECONDE COUCHE 7 DU MEME TYPE DE CONDUCTIBILITE MAIS D'UNE LARGEUR DE BANDE INTERDITE PLUS GRANDE QUE CELLE DE LA PREMIERE COUCHE, DISPOSEE SUR LA PREMIERE COUCHE, ET UN PREMIER ET UN SECOND MOYENS ESPACES DE CONTACT AVEC LA COUCHE DE CANAL, EN CE QUE EN UTILISATION L'UN DES PREMIER ET SECOND MOYENS DE CONTACT EST POLARISE PLUS POSITIVEMENT QUE L'AUTRE, EN CE QUE LORSQUE LA LUMIERE FRAPPE LA SECONDE COUCHE DES PAIRES ELECTRON-TROU SONT PRODUITES DANS LA COUCHE DE CANAL, LES ELECTRONS DE CES PAIRES MIGRENT VERS LE MOYEN DE CONTACT POLARISE PLUS POSITIVEMENT ET LES TROUS DE CES PAIRES MIGRENT VERS L'AUTRE MOYEN DE CONTACT, EN CE QUE LEDIT TRANSISTOR COMPORTE DES COUCHES 2, 3 CORRESPONDANT AUXDITES PREMIERE 9 ET SECONDE 7 COUCHES ET CONSTITUEES DES MEMES MATERIAUX QUE LE PHOTOCONDUCTEUR, LA SECONDE COUCHE DU PHOTOCONDUCTEUR ETANT PLUS MINCE QUE LA SECONDE COUCHE DUDIT TRANSISTOR, POUR REDUIRE AINSI LE NIVEAU DE BRUIT, ET EN CE QUE LA GRILLE DUDIT TRANSISTOR EST CONNECTEE A L'UN DES PREMIER ET SECOND MOYENS DE CONTACT ET EST POLARISEE NEGATIVEMENT OU POSITIVEMENT, EN UTILISATION, PAR L'INTERMEDIAIRE D'UNE RESISTANCE DE POLARISATION, L'AUTRE DESDITS PREMIER ET SECOND MOYENS DE CONTACT ETANT POLARISE, EN UTILISATION, PAR LA POLARITE OPPOSEE.
Description
La présente invention concerne des photodétecteurs et en particulier, mais
non exclusivement, des photodétecteurs intégrables
de façon monolithique pour utilisation en tant que récepteurs de com-
munications optiques.
La présente- invention propose un photodétecteur caractérisé en ce qu'il comprend un photoconducteur intégré de façon monolithique
avec un transistor à électrons à haute mobilité sur un substrat com-
mun semi-isolant, dans lequel le photoconducteur comprend une premiè-
re couche d'un type de conductibilité disposée sur le substrat semi-
isolant et comprenant une couche de canal, une seconde couche du même
type de conductibilité, mais de largeur de bande interdite plus gran-
de que la première couche, disposée sur la première couche, et un
premier et un second moyens espacés de contact avec la couche de ca-
nal, en ce que pendant l'utilisation l'un des premier et second mo-
yens de contact est polarisé plus positivement que l'autre, en ce
que, lorsque la lumière frappe la seconde couche, des paires élec-
tron-trou sont produites dans la couche de canal, les électrons de
ces paires migrent vers le moyen de contact polarisé plus positive-
ment et les trous de ces paires migrent vers l'autre moyen de con-
tact, en ce que ledit transistor comporte des couches correspondant
auxdites première et seconde couches et constituées des mêmes maté-
riaux que le photoconducteur, la seconde couche du photoconducteur étant plus mince que la seconde couche dudit transistor, pour réduire ainsi le niveau de bruit, et en ce que la grille dudit transistor est
connectée à l'un des premier et second moyens de contact et est pola-
risée négativement ou positivement, en utilisation, par l'intermé-
diaire d'une résistance de polarisation, l'autre desdits premier et
second moyens de contact étant polarisé, en utilisation, par la po-
larité opposée.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention
seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite
à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue en coupe d'un transistor à haute mobilité d'électrons; - la figure 2, une vue en coupe d'un phoconducteur destiné à un photodétecteur;
- la figure 3, le schéma de câblage équivalent d'un photo-
détecteur conforme à l'invention; - la figure 4, une vue en plan schématique d'une réalisa- tion du photodétecteur conforme à l'invention; - les figures 5a, 5b et 5c, illustrent respectivement la structure des bandes d'énergie de trois structures différentes de couches, et - la figure 6, une vue en plan d'une autre réalisation du
photodétecteur conforme à l'invention.
Un transistor à électrons à haute mobilité représenté à la figure 1 comprend un substrat semi-isolant 1, une couche de canal à très faible dopage de type n, une couche 3 dopée de type n+ et de largeur de bande interdite plus grande avec idéalement une région mince non dopée adjacente à la couche de canal, des régions 4 et 5 de source et de drain alliées ou implantées n+, et une grille 6. La
structure de bandes d'énergie correspondante est représentée à la fi-
gure 5a.
Un photoconducteur d'un photodétecteur conforme à l'inven-
tion est représenté à la figure 2. Il est basé sur la structure du transistor représentée à la figure 1, la grille étant supprimée et une partie 7 de la couche à plus grande largeur de bande interdite
correspondant à la couche étant plus mince que le reste afin de ré-
duire la conductibilité en feuille induite dans la couche 9 et donc le niveau de bruit. Ainsi le photoconducteur représenté à la figure 2 comprend un substrat semi-isolant 8, une couche de canal de type n-, une couche à plus grande largeur de bande interdite 7 de type n et des régionslO et 11 alliées ou implantées n+. Lorsque la lumière frappe la couche 7 des paires électron-trou induites par les photons sont produites dans la couche de canal 9, les trous de ces paires se déplacent vers la région diffusée 11 qui est polarisée négativement et les électrons de ces paires se déplacent vers la région diffusée qui est polarisée positivement. La largeur de la partie de couche 7 (équivalente à la largeur du canal du transistor)est typiquement
supérieure ou égale à 2 pm.
Le photoconducteur représenté à la figure 2 peut être uti-
lisé dans un circuit récepteur (photodétecteur) avec un amplificateur
comme le montre la figure 3, le photoconducteur comprenant la résis-
tance R et une capacité C1. La valeur de R doit être aussi élevée que
possible et la valeur de Cl aussi faible que possible pour une per-
formance optimale, le courant de bruit efficace étant égal à (4kTB)/R ou k = constante de Boltzmann, T = température absolue et B = largeur
de bande.
Le circuit'comprend en outre une résistance de polarisation
R1 et un transistor à effet de champ Tl à la grille G duquel est ap-
pliquée la sortie du photoconducteur qui sert à faire augmenter ou diminuer la conductibilité du transistor à effet de champ selon la
polarité lorsque la lumière frappe le photoconducteur et, en prati-
que, la capacité C2 qui doit également être aussi faible que possi-
ble. Le photoconducteur, le transistor à effet de champ et la
résistance de polarisation R1 peuvent être facilement intégrés de fa-
çon monolithique, le transistor à effet de champ étant compris dans un transistor a électrons à haute mobilité. Pendant la fabrication d'une structure intégrée de ce type, la couche constituant la partie de couche 7 du photoconducteur et la couche 3 du transistor devront être localement amincies dans la zone du photoconducteur, ce qui peut
être réalise par attaque chimique ou par plasma.
La figure 4 représente une vue en plan d'un photodétecteur
comprenant un photoconducteur intégré et un transistor. Le photocon-
- ducteur et le transistor sont réalisés dans des zones respectives d'une tranche -et isolés électriquement l'un de l'autre, exception
faite de la grille prolongée 6' qui contacte la région 11 de la figu-
re 2, par exemple formée dans les mesas respectifs disposées sur le substrat semi-isolant 1,8. La résistance de polarisation R1 peut être formïe par exemple par des techniques de film épais, sur des parties
exposées du substrat semi-isolant avec les interconnexions ou con-
tacts électriques nécessaires.
La structure de bandes d'énergie du photoconducteur est re-
présentée à la figure 5b. La conséquence de la réduction de l'épais-
seur de la couche à plus grande largeur de bande interdite, par rap-
port à celle du transistor, (figure 5a) est clairement visible. Pour
assurer la présence d'un champ suffisant à travers le canal pour sé-
parer les électrons et les trous produits par les photons, une mince couchet2 dopée p a grande largeur de bande interdite (figure 5c)
peut être réalisée entre la couche de canal 9 et le substrat semi-i-
solant 8, en ayant ainsi pour conséquence, sur la structure de bandes
d'énergie représentée à la figure 5b, d'incliner la partie de la cou-
che de canal, comme l'indique la figure 5c, avec pour conséquence une descente des électrons le long de la pente vers la jonction entre le canal 9 et la couche 7 à grande largeur de bande interdite, ainsi que
la remontée des trous le long de la pente.
Pour être utilisé comme détecteur de lumière de longueur d'onde inférieures à 1,6 m, l'appareil peut être réalisé dans une structure comprenant un substrat semi-isolant en InP, avec une couche de canal n en GaInAs et une couche à plus grande largeur de bande interdite n+ en InP ou AlInAs. Dans ce cas la mince couche 12 dopée
p peut être en InP. En cas d'utilisation pour la détection de la lu-
mière d'une longueur d'onde inférieure à 0,88,pm la couche de plus grande largeur de bande interdite dopée n peut être en AlGaAs, la couche de canal en GaAs et la couche optique de grande largeur de
bande interdite dopée p en AlGaAs dopé p, avec un substrat semi-i-
solant en GaAs.
Afin d'améliorer les performances, la zone efficace du pho-
toconducteur sur laquelle la lumière est incidente peut être accrue
comparativement à la figure 4 et une structure à électrodes interdi-
gitées peut être employée, comme l'illustre schématiquement la figure
6, par exemple.
Claims (9)
1. Photodétecteur caractérisé en ce qu'il comprend un pho-
toconducteur intégré de façon monolithique avec un transistor à élec-
trons à haute mobilité sur un substrat commun semi-isolant (8), en ce
que le photodétecteur comprend une première couche d'un type de con-
ductibilité disposée sur le substrat semi-isolant et comportant une
couche de canal (9), une seconde couche (7) du même type de conducti-
bilité mais d'une largeur de bande interdite plus grande que celle de la première couche, disposée sur la première couche, et un premier et un second moyens espacés de contact avec la couche de canal, en ce que en utilisation l'un des premier et second moyens de contact est polarisé plus positivement que l'autre, en ce que lorsque la lumière frappe la seconde couche des paires électron-trou sont produites dans la couche de canal, les électrons de ces paires migrent vers le moyen
de contact polarisé plus positivement et les trous de ces paires mi-
grent vers l'autre moyen de contact, en ce que ledit transistor com-
porte des couches (2,3) correspondant auxdites première (9) et secon-
de (7) couches et constituées des mêmes matériaux que le photoconduc-
teur, la seconde couche du photoconducteur étant plus mince que la seconde couche dudit transistor, pour réduire ainsi le niveau de bruit, et en ce que la grille dudit transistor est connectée à l'un des premier et second moyens de contact et est polarisée négativement ou positivement, en utilisation, par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation, l'autre desdits premier et second moyens de contact
étant polarisé, en utilisation, par la polarité opposée.
2. Photodétecteur conforme à la revendication 1, caractéri-
sé en ce que le photoconducteur comporte une couche (7) de l'autre
type de conductibilité et d'une largeur de bande interdite plus gran-
de disposée entre le substrat (8) et la couche de canal (9).
3. Photodétecteur conforme à la revendication 1, caracté-
risé en ce que le substrat (8) est en InP, la première couche (9) est en GaInAs de type n et la seconde couche (7) est en InP ou AlInS de
type n-.
4. Photodétecteur conforme à la revendication 3, caractéri-
sé en ce que le photodétecteur comporte une couche (7) en InP de type
p disposée entre le substrat (8) et la couche de canal (9).
5. Photodétecteur conforme à la revendication 1, caracté-
risé en ce que le substrat (8) est en GaAs, la première couche (9) est en GaAs de type n et la seconde couche (7) est en AlGaAs de type n.
6. Photodétecteur conforme à la revendication 5, caractéri-
sé en ce que le photoconducteur inclut une couche (7) en AlGaAs de
type p- disposée entre le substrat (8) et la couche de canal (9).
7. Photodétecteur conforme à l'une quelconque des revendi-
cations précédentes, caractérisé en ce que la résistance de polarisa-
tion est intégrée de façon monolithique avec le photodétecteur et le-
dit transistor.
8. Photodétecteur caractérisé en ce qu'il comprend un sub-
strat semi-isolant (8), une première couche (9) d'un type de conduc-
tibilité disposée sur ledit substrat semi-isolant et comportant une
couche de canal (9), une seconde couche (7) du même type de conducti-
bilité mais d'une largeur de bande interdite plus grande que celle de la première couche, disposée sur la première couche, et un premier et un second moyens espacés de contact avec la couche de canal, en ce que, en utilisation, l'un des premier et second moyens de contact est polarisé plus positivement que l'autre, en ce que lorsque la lumière frappe la seconde couche des paires électron-trou sont produites dans la couche de canal, les électrons de ces paires migrent vers le moyen
de contact polarisé plus positivement et les trous de ces paires mi-
grent vers l'autre moyen de contact.
9. Photodétecteur comprenant un substrat semi-isolant (8),
une première couche (9) d'un type de conductibilité disposée sur le-
dit substrat semi-isolant, une seconde couche (7) du même type de conductibilité mais d'une largeur de bande interdite plus grande que
celle de première couche, disposée sur la première couche, et un pre-
mier et un second moyens espacés de contact avec la couche de canal, l'épaisseur de la seconde couche étant réduite dans une région, entre
le premier et le second moyen de contact espacés, sur laquelle la lu-
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mitre vient frapper pendant l'utilisation du conducteur pour réduire ainsi le niveau de bruit, et dans lequel, pendant l'utilisation du photodétecteur l'un desdits premier et second moyens de contact est polarisé plus positivement que l'autre et, lorsque la lumière frappe ladite région, des paires électron-trou sont produites dans la couche de canal sous-jacente, les électrons de ces paires migrent vers le moyen de contact polarisé plus positivement et les trous migrent vers
l'autre moyen de contact.
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