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WO1993015525A1 - Detecteur infrarouge a puits quantiques - Google Patents

Detecteur infrarouge a puits quantiques Download PDF

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Publication number
WO1993015525A1
WO1993015525A1 PCT/FR1993/000060 FR9300060W WO9315525A1 WO 1993015525 A1 WO1993015525 A1 WO 1993015525A1 FR 9300060 W FR9300060 W FR 9300060W WO 9315525 A1 WO9315525 A1 WO 9315525A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
band
sub
component
quantum
small
Prior art date
Application number
PCT/FR1993/000060
Other languages
English (en)
Inventor
Linh T. Nuyen
Original Assignee
Picogiga Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Picogiga Sa filed Critical Picogiga Sa
Priority to JP5512971A priority Critical patent/JPH07506460A/ja
Priority to EP93904105A priority patent/EP0623245A1/fr
Priority to US08/256,760 priority patent/US5528051A/en
Publication of WO1993015525A1 publication Critical patent/WO1993015525A1/fr

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures

Definitions

  • the invention relates to infrared semiconductor detectors.
  • these detectors find particularly interesting applications, since these wavelengths correspond to a window of atmospheric transparency.
  • the invention is not limited to this particular range of values.
  • the material used for these semiconductor detectors is the HgCdTe alloy, but this material is of extremely complicated metallurgy, which makes its industrial production difficult.
  • One of the aims of the invention is to overcome this limitation, by proposing a quantum well detector on III-V semiconductors which has high detectivity.
  • the detector of the invention which is of the aforementioned type, that is to say comprising a succession of alternating stacked layers of III-V semiconductor material with large forbidden band and of a p-doped small band LII-V semiconductor material defining in the valence band diagram of each corresponding heterostructure, at the level of the layer comprising the material with small band gap, a quantum well comprising sub-bands of Type HH and LH, is characterized in that the ceremoni ⁇ sor of the small band gap material is essentially so selected that do not appear in the wells as two sublevels quantum ⁇ LH and HH] ⁇ , and that the difference of energy between these two sub-levels corresponds to the energy of the photons to be detected, and the composition of the material with a large forbidden band is essentially chosen so that the barrier height of the quantum well is equal to or greater than the energy of the liK- ⁇ sub-band.
  • the material with a large forbidden band its thickness is very advantageously chosen so that the width of the potential barriers defined by the layers of this material are sufficiently small so that the tunnel effect resonating through these barriers, light holes populating the sub-level ⁇ creates for these light holes a state where the wave function of these latter is delocalized over all of the quantum wells and potential barriers, while that of the heavy holes populating the sub-level HH 1 is localized.
  • the material with a large band gap of this structure is preferably Al ⁇ -Ga ⁇ As and the material with a small band gap, GaAs.
  • the thickness of the material with a small prohibited band is between 1.5 and 2.5 nm approximately and the thickness of the material with a large prohibited band is of the order of 8 nm. about.
  • the material with a small forbidden band can be LL.Ga 1 _ ⁇ As, with an indium y In content of ⁇ 0.05 approximately.
  • Figure 1 is a schematic representation of the strip of conduction of a stack of AlGaAs / GaAs layers.
  • FIGS. 2a and 2b illustrate, respectively at rest and under polarization, the shape of the conduction band of a structure of the prior art, but the thickness of the layers of GaAs of which has been reduced so that the difference d energy of the quantum sub-bands corresponds to the wavelength of the light to be detected.
  • FIGS. 3a and 3b are homologous to FIGS. 2a and 2b, in the case where the composition of the layer of AlGaAs has been chosen so that the upper quantum sub-level is flush with the edge of the quantum well.
  • Figure 4 is a schematic representation of the valence band of a stack of AlGaAs / GaAs layers.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate, respectively at rest and under polarization, the shape of the valence band of a structure of the prior art such as that of FIG. 4.
  • Figures 6a and 6b are homologous to Figures 5a and 5b, but for a structure whose doping and sizing of the layers have been determined in accordance with the teachings of the invention.
  • Figures 7a and 7b are homologous to Figures 6a and 6b, for a variant implementation of the invention.
  • these detectors consist, as illustrated in FIG. 1, of a stack of heterostructures 1 each formed by a layer 2 of GaAs and a layer 3 of AlGaAs. These different layers are epitaxial on each other, and the complete stack can comprise up to fifty heterostructures 1.
  • This configuration of layers creates in the conduction band E shown schematically in FIG. 1 a corresponding succession te of discontinuities alternating quantum wells 4 and potential barriers 5.
  • the GaAs layers are sufficiently thin, of the order of a few nanometers, it appears by quantum effect quantum subbands (quantum levels) E 1 ⁇ E 2 , E 3 , etc.
  • quantum effect quantum subbands quantum levels
  • the thickness of the GaAs layers that is to say of the width of the quantum wells 4
  • the first detectors produced according to this principle were described by BF Levine et al., New 10 ⁇ m Infrared Detector Using Intersubband Absorption in Resonant Tunneling GaAIAs Superlattices, Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, p. 1092 (1987). We then ren ⁇ of the account of the incidence of a parasitic tunnel current due to the electrons of the level ⁇ whose tunnel transparency, although weaker than that of the electrons of the level E 2 , cannot be neglected. This tunnel current thus creates a high dark current, detrimental to the performance of the detector.
  • ⁇ E the barrier height for the electron concerned (A ⁇ l for the sub-band ⁇ - and ⁇ E 2 for sub-band E 2 ), d being the thickness of the potential barrier of AlGaAs, and
  • V being the applied voltage
  • a first limitation of the performance of this structure is due to the short lifetime of the electrons in the structure, which is linked to the lifetime of the electrons in the material (AlGaAs) constituting the potential barrier in which the hot electrons move.
  • a second limitation is probably due to the phenomenon of inter-sub-band optical absorption, which must obey certain rules of selection of quantum mechanics preventing the incident light from being perpendicular to the plane of the layers.
  • Figures 5a and 5b schematically represent the case described by Levine in the last aforementioned article: these are quanti ⁇ cal wells 9 3 to 4 nm wide, with a barrier height ⁇ E V of the order of 160 mV , for an aluminum content of 0.30 of the AlGaAs material (here and below, the term “content” will be understood to mean the molar fraction ⁇ j of Al x Ga 1 _ x As).
  • the HH 2 sub-band is practically at the edge of the quantum well and the energy difference between the edge of the well and the HH 1 sub-band is 144 mV for a 3 nm well, or 157 mV for a 4 nm well ( Figure 5a).
  • This structure of the prior art also has the disadvantage of the presence, in the quantum wells 9, of the sub-band. LH ⁇ . Indeed, this sub-band is populated with holes of low effective mass and which are located approximately 50 mV from the edge of the quanti ⁇ well. If we consider equation (1) above, the tunnel transparency of these light holes is therefore high, all the more so as the Fermi level approaches LH 1 level ( i.e. - say that the layer of
  • GaAs is p-doped - which is the case here, with dopings of between 10 17 and 5.10 18 cm “3 approximately.
  • dopings between 10 17 and 5.10 18 cm “3 approximately.
  • the invention which will now be described, aims precisely to overcome this difficulty. His lessons lie mainly in an appropriate choice of the composition of the AlGaAs alloy and the thicknesses of the GaAs and AlGaAs layers.
  • the invention uses in particular the phenomenon of inter-subband transition HH-L and LH- ⁇ to eliminate, firstly, the parasitic tunnel effect due to the light holes LH ⁇
  • the width of the AlGaAs barrier may be reduced as necessary since the holes populating the sub-level ⁇ L ⁇ .- ⁇ are heavy holes, having a low tunnel transparency and therefore having only low impact on detector performance.
  • the energy difference between the two sub-bands LH- and ⁇ must be obtained. 1 is of the order of 124 mV. Calculations of quantum mechanics make it possible to establish that, in this case, the width of the well must be of the order of 1.5 to 2.5 nm, this thickness depending on the height of the potential barrier, c that is, the aluminum content of AlGaAs. The calculation shows that the barrier height ⁇ E V must exceed approximately 230 mV, which imposes an aluminum content greater than approximately 0.42.
  • FIG. 6a at equilibrium
  • 6b under illumination and under electric field
  • the quantum well detector of the invention is thus constituted by a succession of quantum wells 9 of very small width (about 1.5 to 2.5 nm), separated by potential barriers 10 which are themselves relatively thin.
  • barrier heights such that the LH-L sub-band is located just at the edge of the quantum well, as illustrated in FIGS. 7a and 7b ; in this case, the barrier height ⁇ E V of the quantum well is no longer greater, but just equal to the energy of the sub-band LH L.
  • This configuration is close to that presented in FIGS. 5a and 5b (corresponding to Levine's proposal in the aforementioned article) but it has the essential difference of the presence, in the situation of the prior art, of the sub -bandaged LH- s ⁇ ue in the quantum well below the potential barrier, thus contributing to increasing the dark current.
  • the holes populating the HH ⁇ sub-band which not only have a large effective mass but which, moreover, are located deep in the well, they do not undergo a tunnel effect and their wave function also remains localized.
  • the light holes LH 2 moving in the periodic potential have a longer lifespan than the heavy holes moving in the continuum of the valence band, as explained above with reference to FIG. 5.
  • the displacement of the holes of the LH-L strip is favored by a small barrier width (a small thickness of AlGaAs layer)
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • the invention is not restricted to a GaAs / ALGaAs heterojunction, its teachings also being able to apply to other heterostructures formed from HI-V alloys.
  • the InGaAs alloy can be used in place of GaAs to produce the quantum wells.
  • this alloy InGaAs being of larger mesh parameter than GaAs, it will undergo a uniaxial stress which will have the effect of repelling the sub-band LH-L P ⁇ US ⁇ OU1 in energy, in other words increasing the difference of energy between the sub-bands HH 1 and LH-L. - ⁇
  • this Phenomenon it is possible, for equal performances, to widen the quantum well compared to a similar structure using GaAs, and therefore to facilitate practical realization thanks to a less thinness of the layer to be deposited.

Landscapes

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Abstract

Ce composant comprend une succession de couches empilées alternées d'un matériau semiconducteur III-V à grande bande interdite tel que AlxGa1-xAs et d'un matériau semiconducteur III-V à petite bande interdite tel que GaAs dopé p définissant dans le diagramme de bande de valence (Ev) de chaque hétérostructure correspondante, au niveau de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite, un puits quantique (9) comportant des sous-bandes de type HH et LH. Selon l'invention, l'épaisseur du matériau à petite bande interdite est essentiellement choisie de manière que n'apparaissent dans le puits que deux sous-niveaux quantiques LH1 et HH1, et que la différence d'énergie entre ces deux sous-niveaux corresponde à l'énergie des photons (6) à détecter, et la composition du matériau à grande bande interdite et essentiellement choisie de manière que la hauteur de barrière (DELTAEv) du puits quantique soit égale ou supérieure à l'énergie de la sous-bande LH1.

Description

Détecteur infrarouge à puits quantiques
L'invention concerne les détecteurs infrarouge à semiconduc¬ teurs. Dans la gamme 8 à 12 μm, ces détecteurs trouvent des applica¬ tions particulièrement intéressantes, car ces longueurs d'onde cor¬ respondent à une fenêtre de transparence atmosphérique. Cepen¬ dant, bien qu'il s'agisse d'une gamme de sensibilité préférentielle, l'invention n'est pas limitée en cette plage de valeurs particulière. Le plus souvent, le matériau utilisé pour ces détecteurs à semi¬ conducteurs est l'alliage HgCdTe, mais ce matériau est de métallur¬ gie extrêmement compliquée, ce qui rend sa production industrielle difficile.
Il a été récemment proposé par plusieurs laboratoires d'utiliser un nouveau type de détecteur infrarouge — type générique auquel appartient le détecteur de l'invention — basé sur le principe de l'ab¬ sorption des photons associée aux transitions entre deux sous- bandes quantiques apparaissant dans les puits quantiques créés par des empilements d'un très grand nombre de couches épitaxiales alternées de matériaux semiconducteurs III-V.
L'avantage de ces détecteurs tient principalement au fait que l'utilisation de composés III-V à la place de composés II- VI tels que HgCdTe met en œuvre une métallurgie beaucoup plus maîtrisée, permettant d'envisager plus aisément une production industrielle de ces détecteurs.
Toutefois, pour un certain nombre de raisons que l'on explicitera en détail par la suite, les performances de ces détecteurs à puits quantiques à semiconducteurs III-V sont jusqu'à présent toujours inférieures à celles des détecteurs HgCdTe. L'un des buts de l'invention est de pallier cette limitation, en pro¬ posant un détecteur à puits quantiques sur semiconducteurs III-V qui présente une détectivité élevée.
A cet effet, le détecteur de l'invention, qui est du type précité, c'est-à-dire comprenant une succession de couches empilées alter- nées d'un matériau semiconducteur III-V à grande bande interdite et d'un matériau semiconducteur LII-V à petite bande interdite dopé p définissant dans le diagramme de bande de valence de chaque hétérostructure correspondante, au niveau de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite, un puits quantique comportant des sous-bandes de type HH et LH, est caractérisé en ce que l'épais¬ seur du matériau à petite bande interdite est essentiellement choisie de manière que n'apparaissent dans le puits que deux sous-niveaux quantiques LH∑ et HH]^, et que la différence d'énergie entre ces deux sous-niveaux corresponde à l'énergie des photons à détecter, et la composition du matériau à grande bande interdite est essentielle¬ ment choisie de manière que la hauteur de barrière du puits quanti¬ que soit égale ou supérieure à l'énergie de la sous-bande liK-^.
En ce qui concerne le matériau à grande bande interdite, son épaisseur est très avantageusement choisie de manière que la lar- geur des barrières de potentiel définies par les couches de ce maté¬ riau soient suffisamment faibles pour que l'effet tunnel résonnant, à travers ces barrières, des trous légers peuplant le sous-niveau ^ crée pour ces trous légers un état où la fonction d'onde de ces derni¬ ers est délocalisée sur l'ensemble des puits quantiques et barrières de potentiel, tandis que celle des trous lourds peuplant le sous- niveau HH1 est localisée.
Le matériau à grande bande interdite de cette structure est de préférence Al^-Ga^^As et le matériau à petite bande interdite, GaAs. Dans ce cas, l'épaisseur du matériau à petite bande interdite est comprise entre 1,5 et 2,5 nm environ et l'épaisseur du matériau à grande bande interdite est de l'ordre de 8 nm. environ. En variante, le matériau à petite bande interdite peut être L-L.Ga1_τAs, avec une teneur en indium yIn < 0,05 environ.
0
On va maintenant exposer plus en détail l'invention, en référence aux dessins annexés. Sur toutes les figures, les mêmes références numériques désignent des éléments semblables. * La figure 1 est une représentation schématique de la bande de conduction d'un empilement de couches AlGaAs/GaAs.
Les figures 2a et 2b illustrent, respectivement au repos et sous polarisation, l'allure de la bande de conduction d'une structure de l'art antérieur, mais dont l'épaisseur des couches de GaAs a été réduite de manière que la différence d'énergie des sous-bandes quantiques corresponde à la longueur d'onde de la lumière à détec¬ ter.
Les figures 3a et 3b sont homologues des figures 2a et 2b, dans le cas où l'on a choisi la composition de la couche de AlGaAs pour que le sous-niveau quantique supérieur vienne affleurer le bord du puits quantique.
La figure 4 est une représentation schématique de la bande de valence d'un empilement de couches AlGaAs/GaAs.
Les figures 5a et 5b illustrent, respectivement au repos et sous polarisation, l'allure de la bande de valence d'une structure de l'art antérieur telle que celle de la figure 4.
Les figures 6a et 6b sont homologues des figures 5a et 5b, mais pour une structure dont le dopage et le dimensionnement des cou¬ ches ont été déterminés conformément aux enseignements de l'in- vention.
Les figures 7a et 7b sont homologues des figures 6a et 6b, pour une variante de mise en œuvre de l'invention.
On va tout d'abord rappeler l'état actuel des détecteurs à puits quantiques, et notamment le mécanisme selon lequel opèrent ces détecteurs.
Essentiellement, ces détecteurs sont constitués, comme illustré figure 1 , d'un empilement d'hétérostructures 1 formées chacune d'une couche 2 de GaAs et d'une couche 3 de AlGaAs. Ces différentes couches sont épitaxiées les unes sur les autres, et l'empilement com¬ plet peut comprendre jusqu'à une cinquantaine d'hétérostructures 1. Cette configuration de couches crée dans la bande de conduction E représentée schématiquement figure 1 une succession correspondan- te de discontinuités alternant puits quantiques 4 et barrières de potentiel 5.
Si les couches GaAs sont suffisamment minces, de l'ordre de quelques nanomètres, il apparaît par effet quantique des sous-ban- des quantiques (niveaux quantiques) E1} E2, E3, etc. Par un choix approprié de l'épaisseur des couches de GaAs, c'est-à-dire de la lar¬ geur des puits quantiques 4, on peut ajuster la position en énergie des sous-bandes Eχ et E2 de manière que la différence ΔE-J-ΔE2 d'énergie des niveaux quantiques E2 et E1 soit de l'ordre de 124 mV environ, comme illustré figure 2a. Si l'on éclaire une telle structure par une lumière de 10 μm de longueur d'onde, c'est-à-dire par des photons 6 d'énergie hv = 124 meV, ces photons vont induire une transition électronique résonnante de la sous-bande E1 à la sous- bande E2, symbolisée par la flèche 7. Si l'on applique (figure 2b) un champ électrique à une telle structure, c'est-à-dire si l'on polarise le composant, les électrons de la sous-bande E2 peuvent traverser par effet tunnel les barrières de potentiel 5 correspondant aux couches AlGaAs, comme symbolisé par la flèche 8, et générer ainsi un photo¬ courant mesurable. Les premiers détecteurs réalisés selon ce principe ont été décrits par B. F. Levine et al., New 10 μm Infrared Detector Using Intersub- band Absorption in Résonant Tunneling GaAIAs Superlattices, Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, p. 1092 (1987). On s'est alors ren¬ du compte de l'incidence d'un courant tunnel parasite dû aux élec- trons du niveau Ε dont la transparence tunnel, bien que plus faible que celle des électrons du niveau E2, ne peut être négligée. Ce cou¬ rant tunnel crée ainsi un courant d'obscurité élevé, néfaste aux per¬ formances du détecteur.
Sur ce point, on sait que la transparence tunnel s'exprime par une équation du type :
T =A exp [- (m*1 2 ΔE3 2 d) / V], (1)
m* étant la masse effective de l'électron, ΔE étant la hauteur de barrière pour l'électron concerné (AΕl pour la sous-bande Ε- et ΔE2 pour la sous-bande E2), d étant l'épaisseur de la barrière de potentiel de AlGaAs, et
V étant la tension appliquée.
Il a alors été proposé d'augmenter l'épaisseur d de la barrière et/ou d'augmenter sa hauteur ΔE-^ Mais, ce faisant, la transparence tunnel des électrons de la sous-bande E2 — c'est-à-dire celle qui gé¬ nère le photocourant — diminue également. Le compromis semblant difficile à trouver, les détecteurs à puits quantiques les plus perfor¬ mants actuellement réalisés sont conçus de manière que la sous- bande E2 se trouve juste au bord du puits, comme on peut le voir sur les figures 3a et 3b.
On peut ainsi augmenter l'épaisseur de la barrière de potentiel 5, autrement dit diminuer le courant d'obscurité sans perturber pour autant le photocourant. On pourra se référer à cet égard aux tra- vaux de B. F. Levine et al., Bound-to-Extended State Absorption
GaAs Superlattice Transport Infrared Detectors, J. Appl. Phys., Vol. 64, No. 3, p. 1591 (1988), qui mentionne une « détectivité » D* = 1010 cm.Hz"1 2/W à 77 K, résultat proche, bien qu'encore inférieur, de celui que l'on obtient avec un détecteur HgCdTe classique, qui est de 3.1010 cm.Hz~1/2/W à la même température.
Une première limitation des performances de cette structure tient à la faible durée de vie des électrons dans la structure, qui est liée à la durée de vie des électrons dans le matériau (AlGaAs) consti¬ tuant la barrière de potentiel où se meuvent les électrons chauds. Une seconde limitation tient vraisemblablement au phénomène d'absorption optique inter-sous-bandes, qui doit obéir à certaines règles de sélection de mécanique quantique interdisant à la lumière incidente d'être perpendiculaire au plan des couches.
Très récemment, cette deuxième difficulté a été abordée par B. F. Levine et al., Normal Incidence Hole Intersubband Absorption Long
Waυelength GaAs/AlχGa1,χAs Quantum Well Infrared Photodezec- tors, Appl. Phys. Lett., Vol. 59, No. 15, p. 1864 (1991), qui propose d'utiliser des puits quantiques créés par des discontinuités dans la bande de valence, et non plus dans la bande de conduction. En effet, dans ce dernier cas, l'absorption optique inter-sous-ban- des peut être obtenue avec une lumière incidente perpendiculaire au plan des couches. L'article précité mentionne ainsi une détectivité de 3,1.1010 cm.Hz-1/2/W à 77 K, pour la longueur d'onde de 7,9 μm. Toutefois, cette proposition présente également des limitations, dues cette fois à la faible durée de vie des trous.
En effet, si l'on considère, comme illustré figure 4, les disconti¬ nuités créées dans la bande de valence de la structure, qui alternent puits quantiques 9 et barrière de potentiel 10, il apparaît dans cha¬ que puits quantique 9 de nombreuses sous-bandes HH^ HH2, LH-^ etc. (la désignation HH se référant aux trous lourds et LH, aux trous légers). Sur la figure 4, on a illustré trois de ces sous-bandes, mais la situation peut être très variable selon la largeur des puits quanti¬ ques 9 ou la hauteur ΔEV de la barrière de potentiel 10.
Les figures 5a et 5b représentent schématiquement le cas décrit par Levine dans le dernier article précité : il s'agit de puits quanti¬ ques 9 de 3 à 4 nm de large, avec une hauteur de barrière ΔEV de l'ordre de 160 mV, pour une teneur en aluminium de 0,30 du maté¬ riau AlGaAs (ici et dans la suite, on entendra par « teneur » la frac¬ tion molaire ^j de AlxGa1_xAs). Dans ce cas, la sous-bande HH2 se trouve pratiquement au bord du puits quantique et la différence d'énergie entre le bord du puits et la sous-bande HH1 est de 144 mV pour un puits de 3 nm, ou 157 mV pour un puits de 4 nm (figure 5a). Sous éclairement (figure 5b), les photons d'énergie correspon¬ dante (respectivement 144 mV ou 157 mV) sont absorbés (flèche 11), provoquant ainsi, lorsqu'un champ électrique est appliqué, un dépla¬ cement des trous dans le continuum de la bande de valence (flèche 12).
Comme l'on sait que la masse effective des trous dans le conti¬ nuum de la bande de valence de AlGaAs (et GaAs) est très élevée, de l'ordre de 0,4 m0 (m0 étant la masse de l'électron), on peut s'attendre à ce que leur mobilité soit réduite et que leur libre parcours moyen soit faible, autrement dit, à ce que que leur durée de vie soit extrê¬ mement courte.
Cette structure de l'art antérieur présente en outre l'inconvé- nient de la présence, dans les puits quantiques 9, de la sous-bande LHχ. En effet, cette sous-bande est peuplée de trous de faible masse effective et qui se trouvent à 50 mV environ du bord du puits quanti¬ que. Si l'on considère l'équation (1) ci-dessus, la transparence tunnel de ces trous légers est donc élevée, et ce, d'autant plus que le niveau de Fermi se rapproche du niveau LH1 ( c'est-à-dire que la couche de
GaAs est dopée p — ce qui est ici le cas, avec des dopages compris entre 1017 et 5.1018 cm"3 environ. Ici encore, on aboutit à un compro¬ mis introuvable entre une largeur de barrière importante, néces¬ saire pour réduire le courant d'obscurité qui serait autrement très élevé, et une réduction corrélative du photocourant, donc de la sensi¬ bilité du détecteur.
L'invention, que l'on va maintenant décrire, a précisément pour but de surmonter cette difficulté. Ses enseignements résident essen¬ tiellement dans un choix approprié de la composition de l'alliage AlGaAs et des épaisseurs des couches de GaAs et AlGaAs.
L'invention utilise en particulier le phénomène de transition in- ter-sous-bandes HH-L et LH-^ pour éliminer, en premier lieu, l'effet tunnel parasite dû aux trous légers LH^ Dans un second temps, une fois cet effet parasite éliminé, on pourra réduire en tant que de besoin la largeur de la barrière AlGaAs car les trous peuplant le sous-niveau ΕLΗ.-^ sont des trous lourds, présentant une faible trans¬ parence tunnel et n'ayant dès lors qu'une faible incidence sur les performances du détecteur.
Si l'on applique l'équation (1), cette réduction d'épaisseur peut se faire d'un facteur au moins équivalent à :
m*HHl/m*LHl)1/2 = 2>4 environ,
et au plus équivalent à :
(m* HH1/m* LH1)1 2 (ΔEHH1 / ΔELH1)3 2 = 12 environ,
m*HHl e^ *LHl étant prises égales à 0,4 m0 et 0,07 m0, respective¬ ment (m0 étant la masse de l'électron), et ΔEHH1 et ΔELHI étant les hauteurs de barrière respectives des sous- bandes HH1 et LH-L, avec ΔE-r-jjj-L = 190 mV environ et ΔELH1 = 66 mV environ.
Pour que le détecteur fonctionne à la longueur d'onde choisie de 10 μm environ, il faut que la différence d'énergie entre les deux sous-bandes LH- et ΗΕ.1 soit de l'ordre de 124 mV. Les calculs de mécanique quantique permettent d'établir que, dans ce cas, la lar¬ geur du puits doit être de l'ordre de 1,5 à 2,5 nm, cette épaisseur dépendant de la hauteur de la barrière de potentiel, c'est-à-dire de la teneur en aluminium de AlGaAs. Le calcul montre que que la hau- teur de barrière ΔEV doit dépasser 230 mV environ, ce qui impose une teneur en aluminium supérieure à 0,42 environ.
Une structure selon l'invention est illustrée schématiquement figure 6a (à l'équilibre) et 6b (sous éclairement et sous champ élec¬ trique). Le détecteur à puits quantiques de l'invention est ainsi constitué par une succession de puits quantiques 9 de très faible largeur (envi¬ ron 1,5 à 2,5 nm), séparés par des barrières de potentiel 10 elles- mêmes relativement minces.
On sait que les trous LH1? qui ont une faible masse effective, peuvent traverser des barrières minces par effet tunnel même si la hauteur de barrière ΔEV se situe au-dessus de leur niveau d'énergie, et ceci d'autant plus facilement que ces niveaux sont alignés en énergie, créant ainsi le phénomène bien connu d'« effet tunnel réson¬ nant ». Les trous peuplant la sous-bande LH-L von^ 3^ns^-> perpendi- culairement au plan des couches, se mouvoir librement dans un po¬ tentiel périodique parfois également appelé « super-réseau ».
On peut s'affranchir de la définition trop précise de l'épaisseur de AlGaAs en utilisant des hauteurs de barrière telles que la sous- bande LH-L se trouve juste au bord du puits quantique, comme illus- tré sur les figures 7a et 7b ; dans ce cas, la hauteur de barrière ΔEV du puits quantique n'est plus supérieure, mais juste égale à l'énergie de la sous-bande LHL. Cette configuration est proche de celle présen¬ tée sur les figures 5a et 5b (correspondant à la proposition de Levine dans l'article précité) mais elle présente la différence essentielle de la présence, dans la situation de l'art antérieur, de la sous-bande LH- s^uée dans le puits quantique en-dessous de la barrière de potentiel, contribuant ainsi à augmenter le courant d'obscurité.
On sait également que, par cet effet tunnel résonnant, la sous- bande LH-L, bien Que Quantifiée, a sa fonction d'onde complètement délocalisée sur toute la structure, ce qui se traduit par un élargisse¬ ment δELH- en énergie de la sous-bande, comme on peut le voir en 13 sur les figures 6a et 6b. Cet élargissement δELg1 est fonction de la largeur du puits : pour des puits de 2 nm de large, cet élargisse¬ ment est de l'ordre de 50 mV, 15 mV ou 5 mV pour des barrières de largeur de 5 nm, 7,5 nm et 10 nm respectivement (la hauteur de la barrière a également une influence sur ces valeurs).
Quant aux trous peuplant la sous-bande HH^ qui ont non seule¬ ment une forte masse effective mais qui, au surplus, se trouvent dis¬ posés profondément dans le puits, ils ne subissent pas d'effet tunnel et leur fonction d'onde reste en outre localisée.
En résumé, les trous légers LH2 se déplaçant dans le potentiel périodique ont une durée de vie plus longue que les trous lourds se déplaçant dans le continuum de la bande de valence, comme expli¬ qué plus haut à propos de la figure 5. Par ailleurs, bien que le déplacement des trous de la bande LH-L soit favorisé par une faible largeur de barrière (une faible épaisseur de couche AlGaAs), il est souhaitable de ne pas trop réduire cette valeur, car un élargissement trop important de ΔELHI aurait pour effet de réduire la différence d'énergie entre les sous-bandes HH-L et LH- , augmentant ainsi le courant d'obscurité.
Sachant par ailleurs que les détecteurs infrarouge travaillent à la température de l'azote liquide, soit 77 K, et que l'énergie thermi¬ que est à cette température de 6,6 mV, il n'est pas intéressant que l'élargissement ELHI de la sous-bande LHj_ soit inférieur à 6,6 mV. On peut donc trouver un optimum de largeur de barrière, défini de telle façon que ΔELH1 = 6,6 mV environ. Pour des puits de 2 nm de largeur, cet optimum correspond à une épaisseur de AlGaAs de 8 nm environ (valeur susceptible de varier avec la teneur en aluminium de AlGaAs). Compte tenu des très faibles valeurs de largeur des puits quanti- ques que l'on vient d'indiquer, une variation d'une monocouche ato¬ mique, c'est-à-dire de l'ordre de 0,2 à 0,3 nm entraîne une variation relative d'épaisseur de l'ordre de 10%. Il est donc nécessaire d'utili¬ ser des techniques telles que l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) ou le dépôt chimique en phase vapeur d'organométalliques
(MOCVD), qui sont compatibles avec une telle précision et assurent une bonne uniformité de l'épitaxie sur toute la surface de la pla¬ quette de semiconducteur.
Par ailleurs, l'invention n'est pas lirriitée à une hétéroj onction GaAs/ALGaAs, ses enseignements pouvant également s'appliquer à d'autres hétérostructures formées à partir d'alliages HI-V.
En particulier, on peut utiliser l'alliage InGaAs à la place de GaAs pour réaliser les puits quantiques. En particulier, cet alliage InGaAs étant de paramètre de maille plus grand que GaAs, il va subir une contrainte uniaxiale qui aura pour effet de repousser la sous-bande LH-L P^US ^OU1 en énergie, autrement dit d'augmenter la différence d'énergie entre les sous-bandes HH1 et LH-L. -^ar ce Phé¬ nomène on peut, à performances égales, élargir le puits quantique par rapport à une structure similaire utilisant GaAs, et donc en faci- liter la réalisation pratique grâce à une moindre minceur de la cou¬ che à déposer.
Cet effet est particulièrement marqué : en effet, pour une teneur en indium (c'est-à-dire une fraction molaire yIn de In^Ga-L.^ s) de 0,03 seulement, donc pour une composition très proche de GaAs, l'accroissement en énergie est de l'ordre de 15 mV. On notera cepen¬ dant que l'on ne peut guère utiliser d'alliages dépassant une teneur en indium supérieure à 0,05, car l'excès de contraintes risque alors de créer des dislocations d'interface compte tenu de l'épaisseur to¬ tale de la structure à puits quantiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Un composant à semiconducteurs du type détecteur infrarouge à puits quantiques, comprenant une succession de couches empilées alternées d'un matériau semiconducteur III-V à grande bande inter¬ dite (3) et d'un matériau semiconducteur III-V à petite bande inter¬ dite (2) dopé p définissant dans le diagramme de bande de valence (Ev) de chaque hétérostructure (1) correspondante, au niveau de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite, un puits quantique (9) comportant des sous-bandes de type HH et LH, carac¬ térisé en ce que :
— l'épaisseur du matériau à petite bande interdite (2) est essen¬ tiellement choisie de manière que n'apparaissent dans le puits que deux sous-niveaux quantiques LH-L et HH-L, et que la diffé- rence d'énergie entre ces deux sous-niveaux corresponde à l'énergie des photons (6) à détecter, et
— la composition du matériau à grande bande interdite est essentiellement choisie de manière que la hauteur de barrière (ΔEV) du puits quantique soit égale ou supérieure à l'énergie de la sous-bande LH^
2. Le composant de la revendication 1, dans lequel l'épaisseur du matéiiau à grande bande interdite (3) est choisie de manière que les barrières de potentiel définies par les couches de ce matériau soient suffisamment faibles pour que l'effet tunnel résonnant, à travers ces barrières, des trous légers peuplant le sous-niveau Ï.Η- crée pour ces trous légers un état (13) où la fonction d'onde de ces derniers est délocalisée sur l'ensemble des puits quantiques et barrières de po¬ tentiel, tandis que celle des trous lourds peuplant le sous-niveau HH- est localisée.
3. Le composant de la revendication 1 , dans lequel le matériau à grande bande interdite est AlχGa-L_χAs.
4. Le composant de la revendication 3, dans lequel le matériau à petite bande interdite est GaAs.
5. Le composant de la revendication 4, dans lequel l'épaisseur du matériau à petite bande interdite est comprise entre 1,5 et 2,5 nm environ.
6. Le composant de la revendication 4, dans lequel l'épaisseur du matériau à grande bande interdite est de l'ordre de 8 nm environ.
7. Le composant de la revendication 3, dans lequel le matériau à petite bande interdite est L-L-Ga-L ^-As, avec une teneur en indium yIn < 0,05 environ.
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