HAL Id: jpa-00249506
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Submitted on 1 Jan 1996
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Photodiode de type Métal-Semiconducteur-Métal (MSM) sur substrat d’InP
Abdelkader Temmar, Jean Pierre Praseuth, Jean François Palmier, André Scavennec
To cite this version:
Abdelkader Temmar, Jean Pierre Praseuth, Jean François Palmier, André Scavennec. Photodiode de type Métal-Semiconducteur-Métal (MSM) sur substrat d’InP. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1996, 6 (8), pp.1059-1073. �10.1051/jp3:1996105�. �jpa-00249506�
Photodiode de type M4tal-Semiconducteur-M4tal (MSM) sun
substrat d'InP
Abdelkader Temmar (*), Jean Pierre Praseuth, Jean Frangois Palmier et Andr6 Scavennec
France T6I6com/CNET, Laboratoire de Bagneux, 196 Avenue Henri Rav6ra,
92220 Bagneux, France
(Regu le 5 mars 1996, acceptd le 25 avril 1996)
PACS.85.60.-q Optoelectronic devices PACS.85.30.-Z Semiconductor devices
PACS.73.40.-c Electronic transport in interface structures
R4sum4. Les photodiodes Mdtal-Semiconducteur-Mdtal en GalnAs sur substrat d'InP con- naissent actuellement un grand intdrAt pour la photoddtection I large bande et foible bruit.
Dans cet article Ies spdcificitds des composants sur substrat d'InP sont rappeldes, en particulier
avec Ies structures faisant appel I des couches de composition graduelle favorisant la collection des porteurs. AprAs la description du procddd de fabrication, I'analyse des caractdristiques de
fonctionnement permet de pr6ciser quelques propr16t6s particuliAres obtenues : trAs faible
cou- rant d'obscuritd, sensibilitd Iimitde par I'eifet d'ombrage des dlectrodes, bande passante dlevde, uniquement ddpendante des phdnomAnes de transit des porteurs.
Abstract. AIInAS/GalnAs/InP Metal-Semiconductor-Metal photodiodes are presently re- ceiving much attention for large-bandwidth, low-noise photoreceivers. In this paper specific
features of InP-based MSM devices are given, in particular the grading layers allowing an effi- cient carrier collection. After describing the fabrication process, the specific characteristics of GalnAs MSMS are analyzed from their experimental behaviour. In particular we discuss the very low dark current, the responsivity only limited by the metal electrodes reflection, the wide
bandwidth associated with the transit time of carriers.
1. Introduction
Dans une chine de transmission sur fibre optique, le photod4tecteur est un 6lAment critique,
car plac4 h l'extr4mit4 de la fibre optique, il doit convertir le flux de photons requ, souvent de faible puissance, en photocourant ayant un faible bruit de fond et une grande bande passante.
En transmission sur fibre optique, on utilise couramment des photodiodes semiconductrices PIN.
Au cours de ces derniAres ann4es, les photodiodes M4tal Semiconducteur M4tal (MSM)
ont fait l'objet de nombreuses recherches, motiv4es en particulier par leur structure simple qui
se prAte bien h l'int4gration monolithique avec les transistors h effet de champ (FET), ce qui (*) Auteur auquel doit Atre adress6e la correspondance
© Les (ditions de Physique 1996
permet la r4alisation de photor4cepteurs compacts et performants. La r4alisation de tels circuits de photor4ception sur substrat de GaAs a largement b4n4fic14 de la qualit4 des jonctions de
type Schottky sur ce mat6riau.
L'extension aux longueurs d'onde de 1,3 et 1,5 /tm du concept de la photodiode MSM s'est
longtemps heurt4e h la dillicult6 de r4aliser des jonctions Schottky sur Gao,47Ino,53As, mat4riau de choix pour la photod4tection h ces longueurs d'onde. Depuis la d4monstration, en 1989, de
composants utilisant une barriAre en AlInAs entre les 41ectrodes Schottky et la couche de
GaInAs, les photodiodes MSM sur substrat d'InP ont retrouv4 un r4el int4rAt.
Dans cet article, et aprAs un rappel sur le fonctionnement des photod4tecteurs MSM sur GaInAs, nous pr4sentons la r4alisation et les caract4ristiques de fonctionnement de tels compo-
sants. En particulier les performances dynamiques ont fait l'objet d'une caract4risation sous excitation impulsionnelle et harmonique mettant en 4vidence le comportement sp4cifique de
ces composants.
2. Photodiode MSM
La photodiode MSM est un composant comportant deux 41ectrodes Schottky appliqu4es sur
le mat4riau semiconducteur g4n4ralement faiblement dop4. L'application d'une tension entre les contacts permet de polariser le dispositif, l'une des 41ectrodes 4tant en direct, l'autre en
inverse. Le courant d'obscurit4 d'un tel composant correspond id4alement h l'injection thermo- ionique d'41ectrons et de trous respectivement h l'une et l'autre des 41ectrodes, du m4tal vers le
semiconducteur. L'absorption de photons, d'4nergie sup4rieure h la largeur de bande interdite,
se traduit par la cr4ation de paires 41ectron-trou dans le semiconducteur sous l'effet du
champ 41ectrique, les 41ectrons d4rivent vers le contact n4gatif alors que les trous rejoignent le
contact positif. Ainsi la photodiode MSM sous 4clairement se comporte comme une photodiode
PIN, sans gain interne, et se caract4rise en particulier par un rendement quantique, taux de conversion photons-porteurs de charge, inf4rieur h l'unit4.
Sous polarisation nulle, et h l'inverse de ce qui se produit dans les photodiodes PIN, aucun photocourant ne traverse le dispositif (absence d'effet photovoltalique).
2.I. DIODE MSM EN GaInAs suR SUBSTRAT InP. Le matAriau GaInAs prAsente des
propr14t4s physiques trAs avantageuses pour la photod4tection dans la gamme 1,3 1,6 /tm mais la hauteur de barriAre #bn trop faible, de l'ordre de 0,2 eV, ne permet pas d'obtenir de faibles courants d'obscurit4 (Fig. 1) compatibles avec les besoins de la photod4tection de
faibles puissances optiques. D'une faqon g4n4rale on peut d'ailleurs remarquer que l'4nergie de bande interdite de GaInAs (0,75 eV) ne permet pas d'obtenir h la fois des valeurs de #bn et
#bp acceptables sachant que #bn + #bp " Eg.
Pour illustrer ce problAme, nous avons calcu16 la densit4 du courant thermo-ionique pour des diodes Schottky en GaInAs h partir des expressions suivantes ill :
Jn = A]T~ exp
~@)
exp ~)j) I)Jp = A[T~ exp
~@)
exp ~)~) l) iiA], A[, constantes de Richardson des 41ectrons et des trous, Jn et Jp repr6sentent les densit4s de courant d'origine thermo-ionique inject4es aux contacts de la diode de la figure 1 qui participent
au courant d'obscurit6 total du composant [2].
On constate ainsi sur la figure 2 que le courant inverse d'une diode Schottky sur GaInAs
de type n (repr4sentative de l'41ectrode pr4sentant la plus forte injection) est de l'ordre de
Metal GalnAs(nid)
jn
Metal
~- Bc
#bn
Bv
VP
EFw
#bp
JP
Fig. 1. Diagramme 6nerg6tique sch6matique de la diode MSM en GalnAs sous polarisation (#bn "
0,2 eV, #bp CS 0,5 eV), on suppose un mat6riau non dop6.
[Energy bands diagram for a GalnAs MSM diode under bias (~bn " 0.2 eV, #bp CS 0.5 eV). An undoped
material is considered.]
10~ A cm~~, ce qui est trop 41ev4 pour la r4alisation d'un dispositif, de surface voisine de 10~~ cm~, pour lequel on cherche h obtenir un courant d'obscuritA typiquement inf6rieur h 1 /tA.
Diverses 6tudes ont 4t4 menAes pour augmenter la hauteur de barriAre m4tal-GaInAs, par le
dAp0t du contact Schottky sur des couches minces intermAdiaires de matAriaux h plus grand
gap : InP (1,35 eV), AlInAs (1,45 eV), AlGaAs (1,80 eV), GaAs (1,43 eV). Les caract4ristiques 41ectriques favorables du mat6riau AlInAs, de mAme paramAtre de maille cristalline que le GalnAs, nous a fait retenir ce demier.
2.2. DIODE MSM EN AlInAs/GaInAs SUR SUBSTRAT InP. Il s'agit d'une structure MSM
trAs semblable h celle dAcrite pr4c4demment, mais avec une fine couche d'AlInAs, d'environ 30 nm, interca14e entre le m4tal et GaInAs. Le choix d'AlInAs comme barribre permet de
disposer de jonctions Schottky caract4ris6es par une hauteur de barriAre favorable, puisque 4lbn % 4lbp CS 0,6 0,7 eV. Ces valeurs permettent en particulier d'obtenir un faible courant
d'obscurit4 (voir Fig. 2).
Les m4canismes de transport assoc14s h de telles structures d4pendent essentiellement de
paramAtres physiques tels que les discontinuitAs 4lbn et 4lbp de l'hAtArostructure mAtal/AlInAs,
les discontinuit6s /hEc et /hEv de l'h4t4rostructure AlInAs/GaInAs, la qualit4 de l'isolant AllnAs et la qualit4 de l'interface AlInAs/GaInAs.
Le diagramme des bandes d'4nergie de cette structure sous polarisation est donn4 sur la
figure 3. On suppose comme pour la figure que le GaInAs est non dop4.
Le comportement 41ectrique de ce composant est identique h celui de la structure m6tal- semiconducteur homogAne-mdtal pr4sent4e pr4c4demment. Toutefois, les expressions des compo- santes du courant d'obscurit6 font intervenir les grandeurs caract4ristiques de la jonction ml-
tal/AlInAs : la hauteur de barriAre 4lbn d6termine la valeur de l'injection des 41ectrons h travers
S fl
~l
4
~
lo Jn
fi 3 8 j
~
~
q 10
,~
) JP
d "~~~~
-2,5 -1,5 -0,5 0 0,5
Tension (Vi
Fig. 2. Caractdristiques Jn(V) et Jp (V) de diodes Schottky sur GalnAs et AIInAS (injection thermo-
ionique); At = 5,04 A cm~~K~, A[ = 62 A cm~~K~, ~bn t 0,2 eV, ~bp CS 0,5 eV (GalnAs) At = 9,5 A cm~~ K~, A[ = 80 A cm~~ K~, 4lbn CS 0,7 eV, 4lbp t 0,7 eV (AllnAs).
[Jn(Vi and Jp(V) characteristics for Schottky diodes on GalnAs and AllnAs, assuming pure thermionic emission; A[ = 5.04 A cm~~ K~, A[ = 62 A cm~~ K~, ~bn " 0.2 eV, ~bp " 0.5 eV (GalnAs);
A[ = 9.5 A cm~~ K~, A[ = 80 A cm~~ K~, ~bn CS 0.7 eV, 4lbp CS 0.7 eV (AIInAS).]
le contact polaris4 en inverse, alors que la hauteur 4lbp gouverne l'injection des trous au ni-
veau du contact polaris4 en direct. En r4alit4, sous polarisation, il faut tenir compte d'une composante de g4n4ration darts le GaInAs qui vient s'ajouter aux composantes d'injection thermo-ionique.
Les r4sultats exp4rimentaux obtenus par Soole et al. [3] out permis de vArifier l'int4rAt de cette structure pour obtenir des composants h faible courant de fuite, pr4sentant de ce fait des
caract6ristiques fonctionnelles trAs prometteuses.
Toutefois, si la fine couche d'AlInAs permet d'augmenter la hauteur de barriAre Schottky,
l'interface AlInAs/GaInAs fait apparoitre une discontinuit6 des bandes de conduction et de valence comme le montre le sch4ma de la figure 3. Cela a pour cons4quence de provoquer
un p14geage des porteurs h ces interfaces n4fastes pour les performances dynamiques. Aussi est-il important de supprimer ces discontinuit4s, par exemple en introduisant des zones de
composition graduelle en AlGaInAs.
2.3. DIODE MSM EN AlInAs/GRADUALITt/GaInAs suR SUBSTRAT InP. L'introduction
d'une couche intermAdiaire, h super-r4seau h pas variable [4] ou h composition graduelle de type
(GaInAs)~__(AlInAs)z avec 0 < z < 1 [5], permet de r4duire ou de lisser les discontinuit4s des bandes de cinduction /hEc et de valence /hEv entre le GaInAs et l'AlInAs et d'empAcher, sous polarisation, le p14geage des porteurs. Le diagramme de bandes correspondant illustre l'int4rAt
de cette gradualit4 dans la structure MSM (Fig. 4) : pour une zone graduelle d'4paisseur zg de
200 nm, il est h noter qu'un champ 41ectrique Ebp de 25 kvcm~~(= /hEc/zg), est nAcessaire
pour atteindre la condition de bande plate permettant une collection normale des porteurs.
AllnAs(mid) GalnAs(mid) AlInAs(mid)
Metol ~;
Metal
I
i;
2 EFM
Fig. 3. Diagramme 6nerg6tique sch6matique de la diode MSM en AIInAS/GaInAs. On suppose Ies mat6riaux non intentionnellement dopds (nid).
[Energy bands diagram for an AIInAS/GalnAs MSM diode.]
3. Structure et technologie de la photodiode GMSM
Notre choix s'est done orient4 vers la structure GMSM (photodiode MSM avec gradualitA) h
cause des perspectives qu'elle ouvre darts les domaines des faibles courants d'obscuritA, grice
h l'augmentation de la hauteur de barriAre, de la meilleure sensibilitA due h l'absence de piA- geage [5] et du bon fonctionnement h haute frAquence, rAsultant 4galement de la suppression du p14geage. Par ailleurs, afin d'avoir un photodAtecteur compatible avec une illumination par fibre optique, nous avons retenu la structure classique interdigitAe pour les Alectrodes. Les
dispositifs sont semblables h la reprAsentation de la figure 5a, avec des surfaces photosensibles
allant de 10 x 10 h 70 x 70 /tm~ [6].
La structure planaire de la GMSM pr4sente plusieurs avantages
. Un seul d6p0t de m4tal de mAme nature pour les deux contacts.
. Capacit4 du dispositif plus foible que celle d'une photodiode PIN h surface (gale.
. R4sistance s4rie faible, correspondant h celle des Alectrodes mAtalliques.
Mais ce caractAre planaire de la structure pr4sente certains inconvAnients
. Un effet d'ombrage des doigts de contact Schottky r4duisant le rendement quantique de la photodiode (cet effet peut partiellement Atre 41imin4 en 4clairant la photodiode par le
substrat ou par la tranche par l'interm4diaire d'un guide int4gr4).
AllnAs(nid) GalnAs(mid) AllnAs(mid)
M£tfl Gradualit£ Gradualitd ,
MEW
':
#bn
EFM
EFM
#bp
Fig. 4. Diagramme 6nerg6tique de la MSM en AIInAS/GraduaIit6/GalnAs.
[Energy bands diagram for an AIInAS/Grading/GaInAs diode. Undoped materials are considered.]
. Un effet bidimensionnel dfi Ala non-uniformit4 du champ 41ectrique. En particulier si le champ 41ectrique est AlevA prAs de la surface, il devient beaucoup plus faible prAs du substrat semi-isolant ce qui ralentit la capture des porteurs et donc la vitesse de rAponse du composant [7,8]. Cet effet peut Atre r6duit par diminution de l'6paisseur de la couche
absorbante (au d4triment toutefois du rendement).
. Effets de surface (courant de fuite, bruit basse frAquence,...) importants dus h la va- leur AlevAe du champ sur l'ensemble de la surface (ceux-ci peuvent Atre rAduits par une
passivation ellicace de la surface [9]).
C'est l'ensemble de ces avantages et inconvAnients que nous voulons prAciser h partir de
l'analyse des rAsultats exp4rimentaux prAsentAs dans la partie suivante.
3.I. STRUCTURE tPITAXIALE. La croissance dpitaxiale des couches de la photodiode est obtenue par llpitaxie par Jets MolAculaires (EJM) dans un biti comportant deux cellules
d'indium afin de permettre la r4alisation de couches de composition graduelle [10]. Cette technique fournit les couches les mieux adaptAes pour la r4alisation des photodiodes AII-
nAs/Gradualit4/GaInAs dans lesquelles un faible taux d'impuret4s r4siduelles et le contr01e
des zones graduelles sont n4cessaires.
Sur le substrat SI sont 4pitax14es successivement (Fig. 5a)
. La couche tampon de composition graduelle en AlGaInAs de 300 nm, destin4e h repousser les porteurs de l'interface avec le substrat.
lunfibre '
~
AlhAs
GalnAs
Gradualit£
~j InP (sly
w
a
b)
Fig. 5. al Sch6ma de la structure et b) photographie d'une diode GMSM.
[a) Schematic drawing and b) photograph of a GMSM structure.]
. La couche absorbante en GaInAs de 2 /tm.
. La couche graduelle en AlGalnAs de 200 nm, facilitant sous polarisation le passage des porteurs vers les 41ectrodes.
. La couche barriAre en AlInAs de 50 nm, avec eventuellement en surface une fine couche de protection contre l'oxydation (5 nm) en GaInAs.
L'ensemble de ces couches est non dop4, avec un dopage r4siduel voisin de 10~~ cm~~
3.2. TECHNOLOGIE DE R#ALISATION. Aprls dpitaxie de la structure, 5 (tapes technolo- giques sent n6cessaires pour r4aliser les photodiodes GMSM, que l'on peut r4sumer ainsi : tout
d'abord une gravure des couches permet d'isoler la zone active de chaque composant cette gravure se fait par voie chimique ou par attaque ionique, ce qui permet d'obtenir des flancs prAsentant des pentes douces.
io~
0 5 lo
Tension ~V)
Fig. 6. Caract6ristique 1(V) en obscurit6 pour une photodiode de 25 X 25 ~tm~.
[Dark I(V) characteristics of a 25 x 25 ~tm~ photodiode.]
Le d4p0t d'un film isolant en polyimide photosensible permet ensuite d'isoler les flancs de la structure m4sa, afin d'4viter que le m4tal des 41ectrodes ne soit en contact avec le GaInAs, ce qui pourrait provoquer l'apparition de courants de fuite importants. L'4tape suivante consiste en un
d4p0t des contacts Schottky interdigitAs en TiAu. Les 61ectrodes d6finies par photolithographie
ont typiquement une largeur de 1 /tm et un espacement de 2 h 4 /tm. AprAs le d6p0t des interconnexions et des plots de contact en TiAu qui reposent directement sur le substrat semi- isolant, une couche anti-reflet en nitrure ou oxyde de silicium est d4pos4e sur la surface sensible
(Fig. 5b).
AprAs recuit de la plaquette h180 °C pendant 10 min, celle-ci est dAcoup4e en puces AIA- mentaires qui sont mont6es sur des alumines adaptAes.
4. Mesures et caract4risations
4.I. CARACTLRISTIQUES EN oBscuRiTL. Les variations typiques du courant d'obscurit6 Id en fonction de la tension de polarisation Vp sont donn4es sur la figure 6 illustrant diverses
caractAristiques notables des GMSM :
. L'allure des courbes observ4es h temp4rature ambiante fait apparaitre une croissance lente
du courant sous polarisation sans qu'il soit permis de distinguer une rAgion oh prAdominerait
l'injection thermo-ionique et une autre contr014e par la g4n4ration.
Le trac4 de Inl/T~ en fonction de 1IT [11] nous donne, pour une tension de polarisation de 0,2 V, une hauteur de barriAre effective #bn de l'ordre de 0,68 eV. Cette valeur correspond
approximativement h Eg/2 (pour l'AInAs). Ce r4sultat confirme le grand int6rAt de la barriAre AlInAs pour la photodiode GMSM sur GalnAs puisque le niveau de Fermi 6tant situ4 h mi-
gap, le courant de fuite, somme des courants d'41ectrons et de trous inject4s respectivement
aux contacts I et 2, sera minimum (de l'ordre de 10~~ A cm~~ d'aprAs la relation (1)).
. Le courant h 10 V, pour une photodiode GMSM de 25 x 25 /tm~, est typiquement de quelques
nA et peut mAme atteindre des valeurs aussi faibles que 0,4 nA. Cette valeur, en bon accord
avec des estimations faites h partir des expressions du courant thermo-ionique (relation (I)),
est 10 fois plus faible que les valeurs pr4sent4es dans la litt4rature pour des surfaces iden- tiques [4,5,12]. Nous attribuons ce faible courant d'obscurit4 h la bonne qualit4 d'4pitaxie et
-8
~~
2
(
/s 4pm~
0 5 10
Tension (v)
Fig. 7. Caract6ristique 1(V) en obscurit4 pour des photodiodes de mime surface (25 X 25 ~tm~), de mime Iargeur de doigts (1,2 ~tm) avec des espacements di1f6rents (2 ~tm, 3 ~tm, 4 ~Jm).
[Dark I(V) characteristics for photodiodes with identical active area (25 X 25 /tm~) and finger width
(1.2 /tm) but different finger spacing (2 /tm, 3 /tm, 4 /tm).]
h la bonne isolation de la descente de m4sa (passivation par polyimide) ainsi qu'h la couche
graduelle.
. On relAve aussi l'excellente symAtrie des caract6ristiques qui permet d'utiliser la GMSM
sous l'une ou l'autre polarisation (Fig. 6). Cette bonne symAtrie illustre 4galement la reproduc- tibilit4 du proc4dA technologique et en particulier la bonne d4finition des peignes interdigit4s.
L'amorce du claquage des photodiodes se situe aux alentours de 30 V pour un espacement entre doigts de 2 /tm (le courant d'obscurit4 pour une diode de 70 x 70 ~tm~ est de l'ordre de 100 DA h 25 Vi.
. Enfin, nous avons mesur6 des caract4ristiques1- V pour diff4rents espacements entre Alec- trodes. Les caractAristiques I- V de la figure7, obtenues pour une mAme surface de 25 x 25 /tm~
et pour une mAme largeur de doigt de 1,2 /tm, montrent que le courant d'obscurit4 diminue,
pour une mAme tension,lorsque l'espacement passe de 2 /tm h 4 /tm. En effet, en augmentant la distance entre 41ectrodes, le champ 41ectrique diminue et par cons4quent le courant d'obscurit4 diminue.
Les mesures de capacit4 en fonction de la tension de polarisation (C Vi h 1 MHz (Fig. 8)
faites sur une photodiode GMSM de 70 x 70 /tm~, montrent que :
. La capacitA d4croit sous polarisation (n4gative ou positive) jusqu'h une valeur de 160 fF, atteinte dAs 5 V. I cette tension, la
zone absorbante est complAtement d4p14t4e et la capacit4
reste constante.
. La capacit4 d'une photodiode GMSM est trAs faible, environ 4 h 5 fois plus faible que celle d'une photodiode PIN de mAme surface et de mAme 4paisseur de la couche absorbante, cette faible valeur de la capacit4 doit permettre de r4duire le bruit thermique d'un photor6cepteur
utilisant une photodiode GMSM, puisque celui-ci est proportionnel h (C~/grr)B~ (oh C est la c&pacit4 totale d'entr4e induant photodiode, transistor d'amplification et parasites, grr 4tant la transconductance et B la bande passante n4cessaire au signal). Cette expression montre que
leur faible capacitd est une caract4ristique essentielle des photodiodes GMSM.
