LE PROCHE INFRAROUGE DES PHOTODETECTEURS A BASE DES ANTIMONIURES III-Sb ET LEURS ALLIAGES

Principe de fonctionnement des photodétecteurs

Planck en 1900 puis Einstein en 1905 ont introduit la notion de photon en affirmant que lors des phénomènes d’émission ou d’absorption, la lumière se présente sous la forme de grains (quantum) d’énergie. Ces grains sont assimilables à des particules et il leur a été donné le nom de photon [3]. L’énergie du photon est donnée par la relation :     µm E eV  ,1 24  (I.1) La photodétection dans un composant électronique consiste en la conversion d’un signal optique (photons) en un signal électrique (paires électron-trous). Nous nous limiterons ici à la photodétection dans les matériaux semi-conducteurs. Dans un semi-conducteur, la bande de valence (BV) et la bande de conduction (BC) sont séparées par un « gap » d’énergie Eg aussi appelé bande interdite qui représente une caractéristique fondamentale des semi-conducteurs.  La figure 1 représente les différentes transitions possibles selon la nature du gap. Dans le cas d’un semi-conducteur à gap direct (figure 1.a) comme c’est le cas des matériaux utilisés dans cette étude, l’énergie nécessaire à un photon incident   h pour exciter un électron de la bande de conduction est au moins égale à l’énergie du gap Eg . Du point de vue optique, si un photon de lumière possède une énergie supérieure à celle du gap alors l’onde est absorbée c’est-à-dire qu’il se produit dans le semi-conducteur une interaction lumière-matière qui peut être plus ou moins complexe. Par contre, si l’énergie du photon est inférieure à celle du gap, le milieu reste transparent pour l’onde optique incidente. Du point de vue électrique, l’absorption se caractérise par la création de paire électron-trou. La séparation des paires électron-trou générées par l’absorption lumineuse donne naissance à un photocourant. Le principe du photodétecteur consiste à créer, par absorption de photons, des porteurs libres dans un semi-conducteur où existe un champ électrique. On peut créer le champ électrique soit simplement en polarisant à travers deux contacts ohmiques, soit en introduisant une jonction PN (Figure2) qui donne lieu à un processus de diffusion de porteurs créant ainsi une zone desserte appelée zone de charge d’espace où se localise le champ E (Figure 2a). Dans un photodétecteur, le rayonnement augmente le courant inverse et la génération de paires électron-trou dans la zone de charge d’espace. Les photons incidents créent des porteurs dans chacune des régions. Le comportement des ces porteurs libres diffère suivant le lieu de leur création. Dans les zones électriquement neutres, les porteurs minoritaires diffusent et ceux qui atteignent la zone de charge d’espace sont propulsés par le champ électrique vers la région où ils deviennent majoritaires. Ces photoporteurs contribuent donc au courant par la création d’un photocourant de diffusion. Dans la zone de charge d’espace les paires électrons-trous créées par les photons sont dissociées par le champ électrique interne, l’électron est propulsé vers le matériau dopé N et le trou vers le matériau dopé P(Figure2). Ces porteurs donnent naissance à ce qu’on appelle le courant de génération. Ces deux courants s’ajoutent pour créer un photocourant résultant IPh qui contribue au courant inverse. Figure2 : (a) Schéma d’une jonction PN polarisée en inverse, (b) diagramme de bandes d’une jonction PN sous polarisation inverse. Le dispositif semi-conducteur de base utilisé pour la photodétection est la diode à jonction PN (Figure2) : un semi-conducteur de type P est mis en contact avec un semiconducteur de type N. Sous l’effet des forces électrostatiques, les charges positives et négatives se repoussent créant ainsi une zone de charge d’espace (ZCE) dépourvue de porteurs (Figure2b). Un champ électrique interne E se met en place dans la zone de charge d’espace d’épaisseur W (Figure2a). En disposant des électrodes sur les surfaces externes de la base et de l’émetteur, et sous éclairement ou polarisation, les porteurs photogénérés peuvent être collectés sous forme d’un courant traversant la jonction. Plus les zones N et P sont dopées plus l’épaisseur de la ZCE est faible. Par ailleurs si on polarise en inverse la jonction (VP-VN<0, Figure2a), la zone de transit des porteurs s’élargira d’autant plus que la tension augmentera. Si les porteurs sont générés dans la ZCE, alors ils sont séparés sous l’effet du champ électrique interne et ne donnent pas lieu à une recombinaison. En revanche si les photons sont absorbés dans les zones dopées à une distance de la jonction supérieure à la longueur de diffusion, ils seront recombinés et ne contribueront pas au photocourant. Afin d’assurer la génération de porteurs dans la ZCE, on peut augmenter celle-ci artificiellement en introduisant une zone de matériau sémiconducteur intrinsèque (non-intentionnellement dopé) entre les deux semiconducteurs dopés. La structure ainsi créée est la diode P-i-N. Celle-ci permet d’avoir des dopages élevés dans les zones P et N (et ainsi diminuer la résistance d’accès) sans que ceux-ci  

Choix du matériau semi-conducteur

 Le coefficient d’absorption des semi-conducteurs dépendant fortement de la longueur d’onde, il est donc souhaitable de choisir un matériau semi-conducteur dont la bande interdite est légèrement inférieure à l’énergie du photon correspondant à la longueur d’onde de fonctionnement. Cette démarche permet de concilier un coefficient de réponse élevé et un temps de réponse court. Un des critères de choix du matériau semi-conducteur sera donc un coefficient d’absorption élevé dans la gamme de longueurs d’onde d’intérêt. Les composés IIISb et leurs alliages présentent un coefficient d’absorption élevé dans la gamme de longueur d’onde envisagé dans ce travail. Les éléments déterminants pour le choix d’un type d’alliage dans le but d’un usage optoélectronique sont le paramètre de maille cristalline et la largeur de la bande interdite [6]. En effet, les techniques de croissance et l’obtention de bonnes performances exigent d’utiliser des composés adaptés en maille. La longueur d’onde détectée dépend directement du gap Eg . Les efforts actuels de recherche sont orientés sur l’utilisation de composés III-V présentant les avantages suivants: – Possibilité de réaliser des hétérojonctions de bonne qualité, ce qui donne une grande souplesse dans la conception des composants, et permet l’optimisation des divers paramètres de la structure indépendamment des uns et des autres. Les photodiodes élaborées à partir des composés ternaires Ga1 Inxx Sb (dont le domaine spectral s’étend de 0,85 à 2,6µm sont déposées sur un substrat GaSb et leurs mailles sont parfaitement adaptées. – Les transitions entre bande de valence et bande de conduction sont directes : les variations des coefficients d’absorption en fonction de la longueur d’onde sont donc très rapides autour de la longueur d’onde correspondant à la hauteur de la bande interdite. – Les propriétés cristallographiques et optiques de ces matériaux peuvent être exploitées pour obtenir des courants d’obscurité très faibles.  

Caractéristiques des dispositifs photodétecteurs

Tous les photons qui pénètrent dans le matériau semi-conducteur ne seront pas automatiquement photodétectés. Pour qu’un photon soit absorbé, il doit posséder une énergie Ephoton égale ou supérieure à la hauteur de la bande interdite Eg pour faire passer l’électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cela implique une longueur d’onde de coupure c au-delà de laquelle le matériau devient transparent au rayonnement. La longueur d’onde c est déterminée par l’énergie de bande interdite du semi-conducteur selon la relation suivante [8] : photon Eg hc E    g c E hc   , soit   E   eV m g c ,1 24   (I.2) Si l’énergie du photon Ephoton est inférieure au gap Eg du matériau, alors le photon peut traverser le photodétecteur sans être absorbé. Le coefficient d’absorption du sémiconducteur est donc un facteur essentiel qui va déterminer le rendement du photodétecteur. Parmi les grandeurs qui caractérisent le comportement d’un photodétecteur, nous nous sommes intéressés au coefficient d’absorption, au rendement quantique interne et à la sensibilité. 1. Coefficient d’absorption Dans le domaine de l’optoélectronique, l’un des paramètres essentiels à la compréhension des phénomènes de génération-recombinaison de porteurs, est la notion de coefficient d’absorption. Ainsi pour une énergie incidente inférieure à l’énergie de la bande interdite, le matériau reste transparent au rayonnement incident, et le coefficient d’absorption est faible. Le coefficient d’absorption dépend du matériau utilisé et de la longueur d’onde. Si la surface d’un semi-conducteur reçoit un flux de photon 0 d’énergie incidente Ei et si R est le coefficient de réflexion du semi-conducteur alors le flux transmis est   t 1 R  0 .Pour une longueur d’onde donnée, le coefficient d’absorption  du matériau est défini comme étant la variation relative de la densité de rayonnement par unité de longueur, ce qui conduit à la relation suivante:     x xd dx    1  (I.3)   x est la densité de flux lumineux à une distance x de la surface du semi-conducteur. Après la traversée de la surface du photodétecteur, le flux de photons d’énergie E se propage à l’intérieur du semi-conducteur et décroit suivant la loi exponentielle proportionnellement à la distance parcourues x et décrite par :       Rx exp1  x 0 . (I.4)  : coefficient d’absorption du matériau R : coefficient de réflexion Si  est nul, le rayonnement d’énergie E traverse le matériau sans atténuation, le matériau est transparent à ce rayonnement. Si par contre  n’est pas nul, le matériau absorbe le rayonnement qui s’atténue alors exponentiellement au cours de sa propagation. Cette absorption se traduit par la création de paires électron-trou. Chaque photon absorbé crée une paire électron-trou, de sorte qu’en un point d’abscisse x, le nombre de paires électron-trou créées par unité de temps est égale au nombre de photon disparus par unité de temps. Par conséquent le taux de génération de paires électron-trou est égal au taux de disparition de photons. Soit       1 Rxg exp   x 0 . Mais il y a d’autres propriétés encore qui caractérisent un photodétecteur.