Jonctions Ga0,96Al0,04Sb adaptées à la photodétection à 1,55 μm réalisées par épitaxie en phase liquide

HAL Id: jpa-00245635

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Submitted on 1 Jan 1987

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Jonctions Ga0,96Al0,04Sb adaptées à la photodétection

à 1,55 µm réalisées par épitaxie en phase liquide

M. Perotin, L. Gouskov, H. Luquet, A. Jean, P. Silvestre, D. Magallon, C.

Martinez, G. Bougnot

To cite this version:

M. Perotin

_(1),

L. Gouskov

_(1),

H.

_Luquet

_(1),

A. Jean

_(1),

P. Silvestre

_(1),

D.

_Magallon

(1),

C. Martinez

₍₂₎

et G.

_Bougnot

₍₁₎

(1)

Centre

_{d’Electronique}

de

_Montpellier

_(UA

CNRS

_391),

Université des Sciences et

_Techniques

du

Languedoc, pl.

E. Bataillon, 34060

_Montpellier

_Cedex, France

(2)

Facultad de Fisicas, Valencia,

Espagne

(Reçu le 16 _janvier 1987, accepté le 23 mars

1987)

Résumé. 2014 Nous décrivons la méthode de fabrication et les

propriétés photoélectriques

de trois types de diodes

_fabriquées

à

_partir

de couches de

_{Ga0,96Al0,04Sb}

_déposées

par

épitaxie

en

_{phase liquide}

sur substrat

n+ GaSb.

₁₎

Dans les

_jonctions

_{p+ /n}

diffusées Zn la conduction inverse, avant avalanche, est _{dominée par}

l’effet tunnel

_(J(-

5

_V)

= 8,1 10-1

A/cm2). 2)

Dans les

jonctions

p/n

épitaxiées

on observe une réduction du courant inverse

_(J(-

5

_V)

= 2,4 x 10-2

A/cm2) qui

_peut être associée à une diminution du

_dopage

effectif dans ce _type de diode. Les rendements externes à 1,55 03BCm de ces deux

_dispositifs

sont voisins de 0,27.

3)

Les

premiers dispositifs planar

diffusés Zn sont de moins bonne

_qualité

en relation

_probable

avec des fronts de

diffusion mal définis en bord de fenêtre. L’obtention d’un

_dispositif

avalanche

_{performant (NEP}

= 8,4 x 10-12

_W/

~Hz)

à

_partir

des

_{jonctions épitaxiées}

est conditionnée à la réduction des courants de fuite de surface.

Abstract. 2014 Three

types of diodes have been fabricated from

_liquid

_phase

_epitaxial

_{(LPE) Ga0.96Al0.04Sb}

_layers, this paper describes their

photoelectrical properties. 1)

In the Zn diffused

_{p+ /n}

_junctions,

the reverse conduction before avalanche is dominated

_by

tunnel effect

_(J(2014

5

_V)

= 8.1 10-1

A/cm2).

2)

In the

_epitaxial

p/n

junctions

a decrease of the reverse current value is observed

_(J(2014

5

_V)

= 2.4 10-2

A/cm2)

and can be

related to a decrease of the effective

_doping

level in this _type of diode. The external

efficiency

at 1.55 03BCm is

around 0.27 for both these devices.

₃₎

The first diffused

_planar

devices have exhibited a _poorer

_quality

which

can be associated to diffusion defects at the window

_edge.

An efficient avalanche device

_(NEP

= 8.4 x 10-12

_W/

~Hz)

can be

_expected

_{from LPE grown}

_{junctions by reducing}

surface

_leakage

currents.

Introduction.

Les antimoniures de

_gallium

et d’aluminium

(GaAlSb)

présentent

un intérêt _{pour l’obtention de}

photodétecteurs

adaptés

au minimum

_{d’absorption}

des fibres

_{optiques (1,55 ktm).}

Par la modification de la concentration en aluminium il est

_possible

d’obte-nir un _{gap direct} de

0,73

à

0,9

eV

[1].

Au

voisinage

de

0,8 eV,

le désaccord de maille avec GaSb est

faible

_{(àa la}

=10-4)

et _peut être encore réduit _par

l’introduction d’arsenic. Enfin dans ce domaine de

concentration,

le

_rapport

des coefficients d’ionisation

des trous et des électrons est élevé

_{(j9 /a}

>

10 ) [2],

ce

_qui

rend ces

_composés

intéressants pour la

réalisation de

_dispositifs

à avalanche.

Dans cette

_{présentation}

nous donnons les

princi-paux résultats que nous avons obtenus sur trois _types

de

dispositifs

élaborés à

_partir

de couches

_déposées

par

Epitaxie

en Phase

Liquide (EPL)

sur substrat

GaSb :

₁₎

diode mesa

_Zn,

₂₎

diode mesa

_épitaxiée,

3)

diode

_planar

diffusée Zn

_{(Fig. 1).}

1. Diode mesa diffusée Zn.

1.1 RÉALISATION. - La couche de

Gao,96Alo,04Sb

de _type n

_dopée

Te est

_déposée

_par

_épitaxie

à 450 °C

sur un substrat n+ GaSb

_{[3] ;}

_après

une saturation de

3 °C,

on

_impose

une vitesse de refroidissement de

0,4

°C/min. La diffusion de Zn est réalisée à 510 °C

en

_ampoule

scellée à

_partir

d’une source Zn +

Ga + Sb afin d’obtenir une couche

p+

d’environ

0,5

ktm

d’épaisseur.

Les diodes mesa

_{(Figs. la}

et

_b)

(~

= 560

ktm)

sont réalisées _par

photolithographie.

Le contact arrière est obtenu _par recuit d’une couche

évaporée

de

_{l’eutectique}

_Au-Ge,

le contact avant

936

Fig. 1. -

a) Coupe

des différents

_dispositifs

étudiés.

b) Photographie

d’un

_dispositif

mesa

_(q,mesa

= 560

03BCm).

[a)

Structure of the different studied devices.

_b)

Mesa device

_photograph

_{(q, mesa}

= 560

J.Lm).]

central

_(~

= 150

_03BCm)

est constitué _{par de l’or}

évaporé

non recuit.

1.2 CARACTÉRISTIQUES I-V. - Les

_jonctions

ainsi obtenues sont

_abruptes

(1/C2

_{= f (V ) linéaire).}

Les

dopages

des couches n déduits des mesures de

capacités

C des

_jonctions

varient de 1 à 7 x

1016 cm- 3.

Les

_figures

2a et 2b

_présentent

l’allure

des

_{caractéristiques}

de ces

_dispositifs.

En

polarisa-Fig. 2. -

Caractéristiques

I-V d’une diode mesa diffusée

Zn à 300 K.

_a)

_directe,

_b)

_{inverse ;} 0 :

_{Isb’ . :}

_lu,

0 :

Itbb.

[300

K 1 V characteristics of a Zn diffused mesa diode.

a)

forward,

b)

reverse ; 0 :

_{1 sb’ . : Itt,}

0 :

_Itbb-1

tion

_directe,

la conduction est _{contrôlée par des}

mécanismes de

_génération

recombinaison,

avec un

coefficient d’idéalité de 2 et une densité de courant

préexponentiel

de

_2,9

x

10-4A/cm2.

En inverse les densités de courants relevées à -1 V et - 5 V sont de

2

10-2

et

_8,1

x

10-1

Alcm2.

La

_figure

2b montre _{que le} courant

inverse

_peut

être résolu en trois _{composantes :}

2022 un courant shunt

_{1 sh}

dans une résistance

R,h

= 5 _x

104

fi ;

2022 un courant _{tunnel assisté par}

_{piège Itt (énergie}

de

_{piège :}

200

_{meV) ;}

2022 un courant très voisin du courant tunnel bande

ltbb

calculé avec les

_paramètres

suivants :

_Eg

= 800

meV,

ND

= 8 _x

1016

cm- 3,

la

contribution de la

conduction à la

_périphérie

de la mesa n’a pu être

évaluée.

1.3 RÉPONSE SPECTRALE. - La

figure

3 compare

une

_{réponse spectrale}

_{expérimentale}

à celle calculée

Fig. 3. -

Réponses spectrales mesurées et calculées

-jonction

diffusée

_{Zn, Xj}

= 0,5 $Lm.

(zn =

Sn

Lnl Dn).

avec les valeurs

_portées

dans le tableau 1 à

_partir

du modèle

_simple

de

_jonction

_abrupte

à couches _p et n

homogènes

[4].

La

_longueur

de diffusion des trous

voisine de 1 03BCm a été

_déjà

observée _{par S. De Anda}

dans des couches de

_Ga1-xAlxSb,

x -

_0,15.

Le

rendement estimé à

1,55

03BCm est de

_0,26

_(a

= 3 x

103

_cm-’).

2. Diode mesa

_épitaxiée.

2.1 RÉALISATION. - Sur

un substrat de GaSb

n+ on

_dépose

successivement à 450 °C une couche n

de

_{Ga0,96Al0,04Sb}

_dopée

Te et une couche _p non

intentionnellement

_dopée

de même

_composition.

Le

taux _{de sursaturation pour le} 1er

_dépôt

est

0394T1 ~

3

°C,

la vitesse de refroidissement est

0,4 °C/min.

Pour le second

_dépôt

_0394T2

est de 4 à 9 °C

selon

_{l’épaisseur}

de la 1re

_couche,

la vitesse de

refroidissement est

_gardée

constante.

_L’aspect

des

structures obtenues est

_présenté

sur la

_figure

4

(image

en

_microscopie

_{électronique}

à

_balayage

d’un

Fig. 4. -

Image en _microscopie

_{électronique}

à _balayage d’une

_{jonction épitaxiée.}

[Scanning

electron _microscopy pattern of an

_epitaxial

junction.]

de

_{charge d’espace,}

permettent

de déduire la

concen-NA ND

.

tration

_{équivalente NB}

= NAND NA+ND,

NB

varie de 3 à 10 x

1015

cm- 3

selon les couches. Les

caractéristi-ques I V à 300 K sont

représentées

sur les

figures

5a

et b. En direct le coefficient d’idéalité est de

1,6

et la densité de courant

_{préexponentiel}

est

_4,5

x

10- 5 A/cm 2 .

En inverse à - 1 V et - 5 V les densités de courant sont

_{respectivement}

2,4

x

10-2

et 4 x

10-2 A/cm2.

Une

_composante

de

génération-recom-binaison

_{IG _ R}

domine la conduction dans la _gamme

- 1, -

5 V

_(G-R

=

4,5

_x

10-1°

s);

au-delà

apparaît

une

_composante

correspondant

à un effet tunnel

assisté _par

_{piège d’énergie}

155 meV. Le courant

tunnel bande à bande est

_négligeable

dans ce

domaine de

_{polarisation.}

Fig. 5. -

Caractéristiques

1-V d’une diode mesa _épitaxiée

à 300 K.

_a)

directe,

b)

inverse ; ... :

IG-R,

~:

_ltt.

[300

K 1 V characteristics of an

_epitaxial

mesa diode.

a)

forward,

b)

reverse ; ...

IG-R,

A :

Itt-I

]

2.3 RÉPONSE SPECTRALE. - La

figure

6 montre

une

_réponse

_{spectrale expérimentale}

et celle calculée

avec les

_paramètres

du tableau II. La

_comparaison

avec le tableau 1 montre _que la

_longueur

de diffusion

Ln

= 5 _03BCm dans la

couche p

réalisée par

épitaxie

_est

supérieure

à celle déterminée dans la couche

p+

réalisée par

diffusion,

les vitesses de

recombinai-son

_{superficielles}

déduites de la relation _Zn =

sn Ln Dn

sont voisines de 5 x

105

cmls sur la couche

_épitaxiée,

938

Fig. 6. -

Réponses

spectrales

mesurée et calculée

-jonction épitaxiée

xj = 3,5 _ktm.

[Measured

and calculated _{spectral responses of} an

_epitaxial

junction, xj

= 3.5

Fim.]

]

Tableau II. - Paramètres

photoélectriques

des

jonc-tions

_{épitaxiées.}

[Photoelectrical

parameters of

_{epitaxial junctions.]}

Ln

_Lp

zn

NB

xi

(J.1m)

(gm)

n

(cm

3)

(03BCm)

5 1 10

_7,5

x

101 5

_3,5

rendement de

_0,27

à

1,55

ktm

malgré

une

_profondeur

de

_jonction

_importante,

ceci étant dû à la valeur élevée de la

_longueur

de diffusion

_Ln

dans la couche p naturelle.

3. Diode

_planar

diffusée Zn.

La

_jonction

est obtenue _par diffusion de Zn

(méthode

décrite au

_paragraphe

₁₎

à travers une

fenêtre circulaire

_(~

= 560

03BCm)

définie

par

photo-lithographie

dans le

_{diélectrique}

_(Si02

_{PECVD ;}

Si3N4

PECVD

_(1)).

L’ouverture de la fenêtre est réalisée par voie humide. La

_{figure 7}

_présente

l’image

obtenue en

_{microscopie électronique}

à

balayage

d’une zone du bord de la fenêtre de diffusion. Les contacts avant et arrière sont réalisés

comme

_{précédemment.}

Les

_{caractéristiques}

1 V sont

dominées _par un shunt de faible valeur. Ceci _peut

être associé à une interface

_{diélectrique/GaAlSb}

(1)

Le _dépôt de

_Si02

a été réalisé au C.N.E.T.

(Bagneux),

celui de

_Si3N4

_{par la Société Sfemice}

_(Nice).

P.E.C.V.D. :

_Dépôt

en Phase

_Vapeur

_{Activé par Plasma.}

Fig. 7. -

Aspect en

_{microscopie électronique}

à

_balayage

du bord de la fenêtre de diffusion ouverte dans la couche de

_{diélectrique d’épaisseur}

_0,2 03BCm.

[Diffusion

window

_edge

in a 0.2 J.t.m thick dielectric _layer.

Scanning

electron

_{microscopy picture.]}

défectueuse,

ou à une mauvaise définition du front de diffusion en bord de fenêtre.

Conclusion.

A

_partir

des valeurs

_{de 03B2/03B1}

données _par 0.

Hilde-brand et al.

_[2]

nous avons calculé les

_puissances

équivalentes

de bruit attendues

_(NEP)

des deux

types de

_{dispositifs (jonctions}

diffusée et

_épitaxiée)

en

_régime

d’avalanche. Pour la

_jonction

diffusée

(ND

= 7 _x

1016

cm-3),

NEP =

8,7

_x

10-11

W/~Hz

pour un coefficient de

_{multiplication}

M = 7

(V

= - 5

V) ;

pour la

jonction

épitaxiée --1.N B

=

7,5

_x

1015

_{cm- 3,}

NEP =

8,4

_x

10-12

W/

JHz

pour M =

12

_(V

= - 36

V ) ).

Ces estimations mettent en évi-dence l’amélioration

_apportée

_par la réalisation de

dispositifs

à

_{jonction épitaxiée.}

Ces calculs ont été

faits pour des mesas de diamètre inférieur à celui des diodes étudiées

_{(q, mesa}

= 150

_03BCm)

en vue de leur

utilisation pour la

photodétection

de

_signaux

trans-mis _{par fibre}

_{optique. Expérimentalement,}

la

pré-sence de courants excédentaires et d’un bruit en

1/ f

associé n’a _pas

_permis

_{de comparer calcul} et

expérience.

En l’absence des courants de fuite et du bruit basse

_fréquence,

les

_{jonctions épitaxiées}

devraient conduire à d’intéressants

_dispositifs

avalan-che.

La

_technologie

_planar

que nous avions initiée

nécessite une

optimisation

(choix

du

_{diélectrique}

et

du _type de

_dépôt)

afin de réduire les effets des bords

perturbés

de la fenêtre de diffusion.

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