Titre de l’invention : Architecture de super-réseaux InGaAS/GaAsSb sur substrat InP.

[0001] Champ d’application

[0002] La présente invention concerne le domaine de l’imagerie pour l’infra-rouge (IR) et en particulier un détecteur de rayonnement ou photo détecteur fabriqué avec des hétéro-structures à base de matériaux semi-conducteurs de type lll-V. Plus particulièrement, l’invention concerne un dispositif d’imagerie dans l’infrarouge court (SWIR) à des températures non cryogéniques.

[0003] Problème soulevé

[0004] Les imageurs opérant dans la gamme infrarouge sont généralement constitués par assemblage d’une matrice comprenant une pluralité de pixels élémentaires à base de photodiodes transformant un flux de photons incidents en porteurs de charges photogénérés, et d’un circuit de lecture couramment dénommé ROIC pour « Read Out Integrated Circuit >> en anglais pour traiter le signal électrique issu des pixels du détecteur.

[0005] On entend par « rendement quantique >> d’un détecteur infrarouge à base de semi-conducteur le rapport du nombre de paires électrons/trous générés par effet photoélectrique au nombre de photons traversant la structure d’un pixel appartenant au détecteur de rayonnements infrarouges. Le rendement quantique dépend du coefficient d’absorption et de la longueur de diffusion dans la structure du pixel selon l’axe du pixel. Le coefficient d’absorption dépend des matériaux utilisés pour la réalisation de la structure du pixel. Le coefficient de diffusion est inversement proportionnel de la masse effective des porteurs de charges positives (trous) et négatives (électron) selon l’axe du pixel.

[0006] Le rendement quantique est une caractéristique technique fondamentale qui détermine les performances électro-optiques d’un détecteur infra-rouge.

[0007] L’invention se propose de résoudre un problème technique dans ce domaine consistant à concevoir un détecteur matriciel fonctionnant dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde de coupure supérieure à 2 pm en améliorant le rendement quantique du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art.

[0008] Pour mieux cerner le problème soulevé par l’invention, nous allons commencer par décrire la structure générale d’un pixel appartenant à un détecteur infrarouge matriciel à base de matériaux semi-conducteurs.

[0009] La figure 1 a illustre une vue en perspective d’un exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel de rayonnements infrarouges opérant dans le domaine des fréquences infrarouges. L’illustration est limitée à un seul pixel Pxl par souci de simplification mais elle n’exclut pas l’intégration du pixel dans une matrice comprenant une pluralité de pixels juxtaposés.

[0010] Le pixel Pxl d’un détecteur infrarouge est réalisé par un empilement de couches en matériaux semi-conducteurs formant la structure du pixel sur un substrat SUB. L’axe du pixel A est l’axe perpendiculaire au plan horizontal (x,y) formé par la surface supérieure du substrat SUB. Le substrat SUB est réalisé en un matériau massif semi-conducteur de type lll-V par exemple. Le choix du matériau du substrat SUB est important car déterminant la technologie des étapes du procédé de fabrication du dispositif mais aussi les caractéristiques techniques (optiques, électriques, mécaniques..) du détecteur matriciel. Le pixel Pxl comprend les couches suivantes, en partant du substrat, selon la direction de l’axe du pixel A : une structure de contact inférieur CONTJNF, une structure planaire absorbante SPA et une structure de contact supérieure CONT_SUP.

[0011] La structure de contact inférieur CONTJNF est réalisée en matériau massif semi-conducteur dopé N+ et présente un niveau maximum d’énergie de la bande de valence inférieur au niveau maximum d’énergie de la bande de valence de la structure planaire absorbante SPA. Préférentiellement, le matériau constituant la structure de contact inférieur est de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Le contact inférieur CONTJNF peut également être réalisé avec des hétéro-structures obtenues par un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi- conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure de contact inférieur CONTJNF constitue à titre d’exemple un super-réseau dopé N+ présentant une grande valeur de gap d’énergie.

[0012] La structure planaire absorbante SPA est réalisée en matériau massif semi- conducteur dopé N- (ou une hétéro structure de type super-réseau) présentant une valeur de gap d’énergie inférieure ou égale à celle de la structure de contact inférieur. Les caractéristiques du diagramme de bande de la structure planaire absorbante SPA (bande de valence, bande de conduction, énergie de gap) sont intrinsèques dans le cas d’un matériau massif, ou effectives résultant de la combinaison des différentes couches fines dans le cas d’un super-réseau. La structure planaire absorbante SPA convertit le flux de photons incidents avec une longueur d’onde À en porteurs de charges négatives « électrons >> dans la bande de conduction (intrinsèque ou effective) de la structure SPA et de charges positives « trous >> dans la bande de valence (intrinsèque ou effective) de la structure SPA. Les matériaux semi-conducteurs utilisés pour réaliser la structure planaire absorbante SPA (sous forme de matériau massif ou super-réseau) peuvent être de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure des bandes d’énergie dans la structure planaire absorbante SPA est déterminante pour augmenter la fréquence de coupure du détecteur matriciel comprenant le pixel Pxl.

[0013] La structure de contact supérieure CONT_SUP est réalisée en matériaux massifs semi-conducteur dopé P+ présentant une grande valeur de gap d’énergie. Ces matériaux sont préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Le contact inférieur CONT_SUP peut également être réalisé avec des hétéro- structures obtenues par un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. La structure de contact supérieur CONT_SUP constitue à titre d’exemple un superréseau dopé N+ présentant une grande valeur de gap d’énergie. [0014] La figure 1 a a illustré un pixel présentant une structure obtenue par des opérations successives de dépôt et gravure. Un pixel est ainsi délimité selon le plan (x,y) par sa structure tridimensionnelle obtenue par les opérations de gravure.

[0015] Alternativement, il est possible de réaliser la même architecture du pixel selon l’axe du pixel A mais délimité selon le plan (x,y) avec des zones de dopage et non une structure résultat de gravure. La figure 1 b illustre une vue en perspective d’une pluralité de pixels appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges délimités par les zones de dopage P+ du contact supérieur CONT_SUP. Les caractéristiques des différentes parties de chaque pixel selon son axe A restent les mêmes par rapport à la figure 1 a. La différence majeure consiste en la manière de délimitation des pixels dans la matrice découlant du procédé de fabrication utilisé pour la délimitation (gravure en 1 a et dopage en 1 b).

[0016] La figure 1 c illustre une vue en coupe d’un exemple selon l’art antérieur d’un pixel de détection infrarouge comprenant une structure planaire d’absorption SPA formée par un super-réseau SR0.

[0017] La structure planaire d’absorption SPA est réalisée dans cette illustration via une hétéro structure périodique qui forme le super réseau SR0. D’une façon générale, le super-réseau SR0 est un empilement périodique d’un groupe élémentaire G0 formé par une pluralité de couches fines en matériaux semi- conducteurs. Dans cet exemple, le groupe élémentaire est formé par la première couche C0 ayant une épaisseur eO et la deuxième couche C’0 ayant une épaisseur e’0. Ainsi la période du super réseau est égale à e0+e’0. D’un point de vue quantique, si les couches C0 et C0’ sont suffisamment minces (entre 0,3 nm pour une monocouche atomique et 10nm), un phénomène de couplage quantique est obtenu au niveau des différentes jonctions aux interfaces des couches. Ce couplage quantique permet aux porteurs de charges (électrons et trous) d’accéder à des nouvelles mini-bandes d’énergies. Cela revient à l’obtention d’un diagramme de bandes d’énergie résultant différent de celui des matériaux massifs constitutifs du super réseau SR. Dans la suite du texte de cette demande, le diagramme de bandes d’énergie résultant de l’association des couches minces G0=(C0, C’0) formant le super réseau SR est désigné par le « diagramme de bande effectif ».

[0018] Le diagramme de bande effectif est défini par : une bande de conduction effective, BC _e ff ayant une valeur d’énergie minimale Ec _e tf.

- une bande de valence effective, BV _eff ayant une valeur d’énergie maximale Ev _e ff.

- un gap d’énergie effectif Eg _e ff. égal à la différence entre la valeur d’énergie minimale de la bande de conduction Ec _e tf et la valeur d’énergie maximale Ev _e ff.

[0019] D’une façon générale, l’utilisation des super-réseaux dans les structures planaires absorbantes d’un pixel permet d’atteindre des fréquences de coupures non accessibles avec des zones d’absorption à base de matériaux massifs. Les choix de conception de la structure planaire absorbante SPA couvrent à titre non limitatif la composition des matériaux utilisés (ingénierie des matériaux), l’utilisation d’une structure à matériau massif ou super-réseau et les épaisseurs de couches utilisées (conception structurelle du dispositif). Ces choix de conception ouvrent des possibilités permettant de contrôler le taux d’absorption du détecteur, augmenter la fréquence de coupure du détecteur matriciel, améliorer le rendement quantique du pixel et la limitation des bruits de diaphonie « cross-talk >> entre les pixels adjacents.

[0020] La solution technique selon l’invention concerne l’amélioration des performances des détecteurs matriciels dans le domaine de l’imagerie infrarouge (longueur d’onde de 1 pm à 70pm, donc comprenant le THz), et en particulier les spectres du SWIR (short-wave infrared, 1 - 2,5pm). En effet, les matrices plans focaux selon l’état de l’art avec une structure planaire absorbante en matériau InGaAs possèdent de très bonnes performances électro-optiques mais ils sont limités à une longueur d’onde de coupure de 1 ,7pm à 300K. Certaines applications, telles que la détection de gaz pour le spatial ou la détection de source laser au-delà de 1 ,6pm nécessitent d’augmenter la longueur d’onde de coupure vers 2 - 2,5pm tout en gardant un certain niveau de rendement quantique et de performances électro-optiques pour un bon fonctionnement du détecteur.

[0021] Un problème technique à résoudre dans ce domaine consiste donc à concevoir un détecteur matriciel fonctionnant dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde de coupure supérieure à 2 pm en améliorant le rendement quantique interne du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art. [0022] Art antérieur/ Restrictions de l’état de I’art

[0023] La demande de brevet européen EP3482421 B1 décrit un détecteur d’image infra-rouge matriciel comprenant une pluralité pixels. La structure planaire d’absorption de chaque pixel selon la solution proposée dans cette demande est réalisée par un matériau massif InGaAsSb sur un substrat en matériau GaSb dans une architecture verticale spécifique. De plus, le brevet européen EP1642345B1 décrit un détecteur d’image infra-rouge matriciel comprenant une pluralité de pixels. La structure planaire d’absorption de chaque pixel selon la solution proposée ce brevet est réalisé par un matériau massif InGaAsSb sur un substrat en matériau GaSb. L’inconvénient des solutions par ces deux documents est que la filière technologique définissant le procédé de fabrication d’une telle structure sur des substrats GaSb présente une complexité d’exécution et des coûts de production importants résultant de la non maturité dudit procédé.

[0024] La publication « InGaAs/GaAsSb Type-ll Superlattices for Short-Wavelength Infrared Detection >> de «J. Easley et al >> illustre une seconde filière technologique basée sur un substrat en matériau In P avec une architecture verticale typique de détecteur comprenant un super réseau InGaAs/GaAsSb qui permet d’accéder à des longueurs d’ondes de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm. Cependant, le super-réseau InGaAS/GaAsSb existant ne permet pas d’obtenir des imageurs hautes performances avec une fréquence de coupure au-delà de 2,1 pm. En effet, les épaisseurs de périodes du super-réseau sont importantes et entraînent un confinement des trous dans les couches GaAsSb et par conséquent un faible rendement quantique et une performance globale médiocre.

[0025] Réponse au problème et apport solution

[0026] Pour pallier les limitations des solutions existantes en ce qui concerne l’augmentation de la fréquence de coupure dans le domaine de l’infrarouge court jusqu’à 2,5pm à des températures non cryogéniques et avec un bon rendement quantique, l’invention propose plusieurs modes de réalisation d’une structure de pixel comprenant une structure de super-réseau spécifique pour la structure planaire d’absorption. Plus spécifiquement, l’invention propose des solutions compatibles avec la filière InP qui présente une meilleure maturité technologique du procédé de fabrication par rapport aux autres filières technologiques tel que le GaSb. L’invention détaille des modes de réalisation avec des exemples de choix de matériaux pour le super-réseau, des plages de compositions des alliages semiconducteurs formant le super-réseau et des plages de dimensionnement des épaisseurs des couches du super-réseau selon l’invention. Le groupe élémentaire répété périodiquement dans le super-réseau selon l’invention est constitué d’au moins trois couches minces avec l’insertion d’une couche supplémentaire à petit gap de façon à obtenir les avantages suivants par rapport aux solutions de l’état de l’art :

- atteindre les longueurs d’ondes de coupures ciblées au-delà de 2pm

- réduire la masse effective des porteurs de charges positives (trous) en réduisant le potentiel vu par les trous dans les couches puits du superréseau induisant une amélioration du rendement quantique.

- une intégrabilité avec des filières technologiques de procédé de fabrication mature tel que la filière technologique basée sur un substrat InP.

[0027] Résumé

[0028] L’invention a pour objet un dispositif de détection de rayonnements infrarouges comprenant au moins un pixel. Un pixel comprend un premier superréseau comprenant un empilement le long d’une direction d’empilement d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire sont chacune agencée selon une structure cristalline de mailles. Ledit groupe élémentaire comprend :

■ une première couche en un premier matériau semi-conducteur présentant o un premier gap d’énergie o et une première valeur de minimum de bande de conduction;

■ au moins une deuxième couche en un deuxième matériau semi-conducteur présentant : o un deuxième gap d’énergie, o et une deuxième valeur de minimum de bande de conduction strictement inférieure à la première valeur de minimum de bande de conduction ;

■ une troisième couche en un troisième matériau semi-conducteur présentant : o un troisième gap d’énergie inférieur au premier et au deuxième gap d’énergie; o et une troisième valeur de minimum de bande de conduction strictement inférieure à la deuxième valeur de minimum de bande de conduction.

Le groupe élémentaire est réalisé selon une première configuration d’empilement selon l’ordre suivant : la deuxième couche, la troisième couche, la deuxième couche puis la première couche ou selon une seconde configuration d’empilement tel que la troisième couche soit confinée entre la première et la deuxième couche.

[0029] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau semi-conducteur présente en outre une première valeur de maximum de bande de valence et le deuxième matériau semi-conducteur présente en outre une deuxième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la première valeur de maximum de bande de valence.

[0030] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier super-réseau est réalisé par épitaxie sur un substrat en un quatrième matériau semi-conducteur arrangé selon une structure cristalline de mailles. Ledit premier super-réseau est réalisé tel que, pour chaque couche semi-conductrice du premier super-réseau, les mailles d’une couche semi-conductrice subissent des contraintes mécaniques internes pour s’adapter aux mailles de la structure cristalline du substrat.

[0031] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier, le deuxième, le troisième et le quatrième matériau semi-conducteur sont de type lll-V.

[0032] Selon un aspect particulier de l’invention, le quatrième matériau semi- conducteur est le phosphure d'indium InP.

[0033] Selon un aspect particulier de l’invention, les compositions des matériaux utilisés pour réaliser les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire sont choisis tel que le diagramme de bandes de conduction et de valence selon la direction d’empilement du premier super-réseau présente un gap d’énergie effectif, une valeur de maximum de bande de valence effective et une valeur de minimum de bande de conduction effective. Ledit gap d’énergie effectif étant entre 400 meV et 750meV.

[0034] Selon un aspect particulier de l’invention, la masse effective des porteurs de charges positives dans le super réseau selon la direction de l’empilement est inférieure à trois fois la masse d’un électron libre.

[0035] Selon un aspect particulier de l’invention, le troisième matériau semi- conducteur est le composite binaire InAs.

[0036] Selon un aspect particulier de l’invention, le deuxième matériau semi- conducteur est l’alliage ternaire ln _x Gai- _x As ; avec x la fraction molaire d’indium dans l’alliage ln _x Gai- _x As.

[0037] Selon un aspect particulier de l’invention, la fraction molaire x d’indium In dans le deuxième matériau semi-conducteur est inférieure à 0,55 .

[0038] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau semi-conducteur est l’alliage ternaire GaAs _y Sbi- _y ; avec y la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAs _y Sbi- _y .

[0039] Selon un aspect particulier de l’invention, la fraction molaire y d’arsenic As dans le premier matériau semi-conducteur est inférieure à 0,55.

[0040] Selon un aspect particulier de l’invention, le rapport entre d’une part la somme des épaisseurs des couches du groupe élémentaire pondérées par l’amplitude des contraintes subies par chaque couche et d’autre part l’épaisseur totale du groupe élémentaire ; est inférieur ou égale à une valeur prédéterminée.

[0041] Selon un aspect particulier de l’invention, les contraintes subies par les mailles de la couche de ln _x Gai- _x As sont des contraintes de tension ; et les contraintes subies par les mailles de la couche de GaAs _y Sbi- _y sont des contraintes de compression.

[0042] Selon un aspect particulier de l’invention, l’amplitude d’une contrainte subie par les mailles d’une couche quelconque du groupe élémentaire est inférieure à une contrainte limite de dislocation. [0043] Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur d’une couche du groupe élémentaire est comprise entre 0,3nm et 10nm.

[0044] Selon un aspect particulier de l’invention, un pixel comprend le long de la direction d’empilement (Z) dans cet ordre :

■ le substrat ;

■ Une couche contact inférieur en un cinquième matériau semi-conducteur dopé N+ présentant : o une cinquième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et un cinquième gap d’énergie supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective du premier super réseau.

■ Une structure planaire absorbante comprenant au moins le premier superréseau. Les couches dudit premier super-réseau sont dopées N.

■ Une couche contact supérieur en un sixième matériau semi-conducteur dopé P+ présentant : o une sixième valeur de maximum de bande de valence strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et une sixième valeur de minimum de bande de conduction strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective du premier super réseau.

[0045] Selon un aspect particulier de l’invention, un pixel comprend le long de la direction d’empilement dans cet ordre :

■ le substrat (SUB) ;

■ Un contact inférieur réalisé par un deuxième super-réseau dopé N+ présentant : o une deuxième valeur de maximum de bande de valence effective strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o une deuxième valeur de gap d’énergie effectif supérieure ou égale à la valeur de gap d’énergie effective du premier super réseau .

■ Une structure planaire absorbante comprenant au moins le super-réseau. Les couches dudit super-réseau sont dopées N.

■ Un contact supérieur réalisé par un troisième super-réseau présentant : o une troisième valeur de maximum de bande de valence effective strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o une troisième valeur de minimum de bande de conduction effective strictement supérieure à la valeur de maximum de bande de conduction effective du premier super réseau.

[0046] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure planaire absorbante comprend en outre une couche de transition en un septième matériau semi- conducteur dopé N présentant :

■ une septième valeur de minimum de bande de conduction comprise entre : o d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective du premier super réseau; o et d’autre part la sixième valeur de minimum de bande de conduction ou la troisième valeur de minimum de bande de conduction effective ;

■ une septième valeur de maximum de bande de valence comprise entre o d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective du premier super réseau; o et d’autre part la sixième valeur de maximum de bande de valence ou la troisième valeur de maximum de bande de valence effective.

La couche de transition est confinée entre le super réseau et la couche contact supérieur. [0047] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.

[0048] [Fig. 1 a] la figure 1 a illustre une vue en perspective d’un premier exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges.

[0049] [Fig. 1 b] la figure 1 b illustre une vue en perspective d’un second exemple de pixel appartenant à un détecteur matriciel dans le domaine de fréquences infrarouges.

[0050] [Fig. 1 c] la figure 1 c illustre une vue en coupe d’un exemple selon l’état de l’art d’un pixel de détection infrarouge comprenant une structure planaire d’absorption formée par un super-réseau.

[0051] [Fig. 1d] la figure 1d illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau de la figure 1 c obtenu par épitaxie en accord de maille avec le substrat.

[0052] [Fig. 1 e] la figure 1e illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau de la figure 1 c obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat.

[0053] [Fig. 2a] la figure 2a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un premier mode de réalisation de l’invention.

[0054] [Fig. 2b] la figure 2b illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau selon le premier mode de réalisation de l’invention.

[0055] [Fig. 3a] la figure 3a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un second mode de réalisation de l’invention.

[0056] [Fig. 3b] la figure 3b illustre un diagramme de potentiel selon l’axe du pixel dans le super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention.

[0057] [Fig. 4] la figure 4 illustre des courbes des résultats de simulation de l’absorption pour un super-réseau à deux couches et un super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention pour une longueur d’onde de coupure égale à 2,3pm. [0058] [Fig. 5a] la figure 5a illustre une vue en coupe d’un premier exemple de pixel comportant une structure planaire absorbante selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention.

[0059] [Fig. 5b] la figure 5b illustre le diagramme de bande selon l’axe du pixel de la figure 5a.

[0060] [Fig. 5c] la figure 5c illustre une vue en coupe d’un second exemple de pixel comportant une structure planaire absorbante selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention.

[0061] [Fig. 5d] la figure 5d illustre le diagramme de bande selon l’axe du pixel de la figure 5c.

[0062] [Fig. 6] la figure 6 illustre une vue en coupe d’un dispositif de détection de rayonnements infrarouges comprenant une pluralité de pixels selon l’invention.

[0063] Nous allons d’abord commencer par expliquer la notion de croissance d’une couche mince en accord de maille avec un substrat. D’une façon générale, un matériau massif à l’état solide est organisé selon une structure cristalline obtenue par la répétition spatialement périodique d’une maille élémentaire composée par les atomes dudit matériau. Pour un matériau donné, l’ensemble des caractéristiques mécaniques, physiques, électriques est déterminé entre autre par la structure de la maille cristalline. Pour le cas d’un alliage de matériaux semi-conducteurs, le choix des fractions molaires des différents matériaux qui composent l’alliage définit la structure cristalline et les paramètres géométriques de la maille cristalline de l’alliage obtenu.

[0064] Dans le cas des détecteurs de rayonnements infrarouges à base de couches minces semi-conductrices, la fabrication des couches qui forment le super-réseau est réalisé via le procédé d’épitaxie sur un substrat. Il est possible d’utiliser l’épitaxie par jets moléculaires ou l’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans le cas d’un alliage semi-conducteur, le choix des fractions molaires utilisées dans l’étape d’épitaxie de chaque composant de l’alliage permet de contrôler les paramètres de la maille cristalline de la couche déposée. Ainsi, avec un choix judicieux des fractions molaires, il est possible de réaliser un dépôt par épitaxie d’une couche mince en accord de maille avec la structure cristalline du substrat. On parle ici, d’une homo- épitaxie. [0065] Dans le cas, où les fractions molaires utilisées dans l’alliage déposé sur le substrat sont différentes des valeurs correspondant à un accord de maille, il est possible de croitre des couches d’alliage semi-conducteur de quelques nanomètres sur le substrat, on parle d’une hétéro-épitaxie. En effet, les mailles cristallines d’une couche déposée vont s’adapter à la maille cristalline du substrat lors de l’opération d’épitaxie en subissant des contraintes mécaniques internes. Les contraintes mécaniques internes peuvent être des contraintes de tension ou de compression selon les fractions molaires choisies de l’alliage. A l’échelle du réseau cristallin, les contraintes mécaniques internes subies par les mailles cristallines de la couche déposée engendrent des asymétries dans lesdites mailles et des modifications des forces électromagnétiques entre les atomes. D’un point de vue électrique, cela engendre une modification de la structure de bandes énergétiques dans la couche déposée tel que détaillé ultérieurement.

[0066] La description des figures 1d et 1 e sert à détailler les limites de l’utilisation d’un super-réseau à deux couches pour un fonctionnement à des fréquences de coupure au-delà de 2,1 pm. En effet, la réalisation de la structure planaire d’absorption avec un super réseau composé de deux couches permet de d’atteindre des fréquences de coupures dans le proche infrarouge au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques médiocres. Ce type de structure présente une dégradation du rendement quantique et baisse de la mobilité des porteurs de charge positives dans l’axe du pixel. Cette dégradation est due à une masse effective élevée des trous. Cette augmentation de la masse effective s’explique par une barrière de potentiel très haute observée par les trous dans le super réseau selon l’axe du pixel. L’ensemble de ces observations et résultats sera exposé par la description des figures 1 c et 1d.

[0067] La figure 1d illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau SR0 de la figure 1 c obtenu par épitaxie en accord de maille avec le substrat.

[0068] Le diagramme de potentiel de la figure 1d correspond à un super-réseau en accord de maille avec un substrat en InP et avec un groupe élémentaire G0 composé d’une première couche C1 en GaAs _y oSbi- _y o et une deuxième couche C2 en ln _x oGai-xoAs ; x0=0,53 est la fraction molaire d’indium dans l’alliage ln _x oGai- _x oAs en accord de maille avec un substrat InP et y0=0,52 est la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAs _y oSbi- _y o en accord de maille avec un substrat InP. Pour atteindre la fréquence de coupure de 2,5pm, l’épaisseur e1 de la couche C1 en GaAs _y oSbi- yo est égale à 7nm et l’épaisseur e2 de la couche C2 en ln _x oGai- _x oAs est égale à 7nm.

[0069] Le diagramme de potentiel présente la structure des bandes de valence et de conduction des différentes couches du super-réseau selon la direction z de l’axe A et donc en parcourant l’empilement périodique des couches du super-réseau. Dans le cas illustré, la première couche C1 du groupe élémentaire GO est réalisée avec l’alliage ternaire GaAs _y oSbi- _y o présentant un premier gap d’énergie Eg1 , une première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 et une première valeur de maximum de bande de valence Ev1. La deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire ln _x0 Gai- _x0 As présentant un deuxième gap d’énergie Eg2, une deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2 et une deuxième valeur de maximum de bande de valence Ev2. Les matériaux qui composent le super réseau sont choisis tel que Ec1 >Ec2 et Ev1 >Ev2 pour obtenir un diagramme de potentiel de type 2. Il s’agit d’une alternance de barrières de potentiel dans les deuxièmes couches C2 et de puits de potentiel dans les premières couches C1 vus par porteurs de charges positives (trous). Il s’agit en outre d’une alternance de barrières de potentiel dans les premières couches C1 et de puits de potentiel dans les deuxièmes couches C2 vus par porteurs de charges négatives (électrons).

[0070] Comme indiqué précédemment, le couplage quantique entre les différentes couches du super-réseau engendre la création d’une bande de conduction effective avec un niveau d’énergie minimum effectif Ec _e tf et d’une bande de valence effective avec un niveau d’énergie maximum effectif Ev _eff . Le gap d’énergie effectif du superréseau Eg _eff = Eceff - Ev _ef f est égale à 0,488eV. Ainsi, selon la relation Planck- Einstein, la fréquence de coupure Àc=hc/ Eg _e ff «2,5pm avec h la constante de Planck et c la célérité de la lumière dans le vide.

[0071] D’où le super réseau en accord de maille avec un substrat InP avec une groupe élémentaire G0= GaAs _yO Sbi- _y o/ln _x oGai- _xO As et des épaisseurs e1 =e2=7nm permet d’atteindre la longueur d’onde de coupure de 2,5pm. On entend par recouvrement en énergie de gap dans ce cas la différence entre la première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et la deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2. Le choix d’une épaisseur de 7nm est imposé par une valeur de recouvrement en énergie de gap égale à 0,380 eV.

[0072] Cependant, les trous dans les puits de potentiel au niveau de la première couche C1 voient un fort potentiel obtenu par la combinaison d’une large épaisseur de couches (7nm/7nm) et une haute différence de potentiel entre Ev _e tf et Ev2 évaluée à 0,350 eV. L’effet du potentiel vu par les trous se manifeste dans l’augmentation de la masse effective des trous lourds dans la bande de valence effective qui est quantifiée dans cette combinaison à 71 fois la masse d’un électron libre notée m ₀ . Cela correspond à une dégradation du rendement optique de plus d’un facteur de 10 par rapport à une structure planaire d’absorption présentant des performances électro-optiques acceptables. Généralement, un détecteur infra-rouge présente des performances électro-optiques acceptables pour des valeurs de masse effectives des trous inférieures à 3 fois la masse d’un électron libre m ₀ .

[0073] Le tableau 1 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR0 avec G0= GaAs _y oSbi-yo/ln _x oGai-xoAs en accord de maille sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm.

[0074] Il a été établit par les résultats exposés qu’un super réseau SR0 avec G0= GaAs _y oSbi-yo/ln _x oGai-xoAs en accord de maille sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques non satisfaisantes et un rendement quantique faible avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel très élevées. Ainsi, le super réseau SR0 à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 9,8 fois la masse d’un électron libre m ₀ . Le super réseau SR0 à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 52 fois la masse d’un électron libre m ₀ . Le super réseau SRO à deux couches en accord de maille avec une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 71 ,8 fois la masse d’un électron libre m ₀ .

[0075] La figure 1 e illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau SRO de la figure 1 c obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat.

[0076] La figure 1 e reprend la même structure du super-réseau SRO de la figure 1 c mais avec des fractions molaires différentes des alliages composant les couches du super-réseau. Ce changement de composition contrôlé par le dosage des composants de l’alliage lors de la phase de croissance par épitaxie engendre un dépôt de couches qui ne sont pas en accord de maille avec le substrat en InP. Il a été déjà expliqué que ce décalage des mailles engendre des contraintes mécaniques internes sur les mailles cristallines des couches C1 et C2 pour s’aligner avec les mailles cristallines du substrat SUB, d’où l’obtention du nouveau diagramme de potentiel décrit dans la figure 1 d. Le super réseau S’0 dans ce cas est dit super réseau monté « avec une contrainte compensée ».

[0077] Le diagramme de potentiel de la figure 1 e correspond à un super-réseau avec contraintes compensées sur un substrat en InP et avec un groupe élémentaire G’0 composé d’une première couche C1 en GaAs oSbiyo et une deuxième couche C2 en ln _X ’oGai- _X ’oAs ; x’0=0,25 est la fraction molaire d’indium dans l’alliage ln _x oGai- _x oAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP et y’0=0,2 est la fraction molaire d’arsenic dans l’alliage GaAs oSbiyo avec une contrainte compensée sur un substrat InP. Pour atteindre la fréquence de coupure de 2,5pm, l’épaisseur e1 de la couche C1 en GaAs oSbiyo peut être réduite à 2,9nm et l’épaisseur e2 de la couche C2 en ln _X ’ _O Gai- _X ’oAs peut être réduite à 2,9nm.

[0078] Les mailles de la couche C1 en GaAsyoSbiyo subissent des contraintes de compression ; les mailles de la couche C2 en ln _x oGai- _x oAs subissent des contraintes de tension. Les contraintes internes appliquées sur les mailles des couches des super réseaux ne doivent pas dépasser une limite de dislocation. La somme des contraintes subies par le groupe élémentaire G’0 est nulle. [0079] Le diagramme de potentiel de la figure 1 e présente la structure des bandes de valence et de conduction selon le même axe A que celui de la figure 1 d. Il s’agit d’un diagramme de potentiel de type 2 comme expliqué précédemment présentant des valeurs différentes. En effet, les contraintes internes subies par les mailles engendrent un phénomène quantique connu par le terme « levée de la dégénérescence ». La « levée de la dégénérescence >> consiste en une séparation des niveaux d’énergie occupés par les trous lourds et les trous légers. On assiste ainsi dans les premières couches C1 et les deuxièmes couches C2 à la distinction entre un niveau d’énergie maximal de bande de valence occupée par les trous lourds notée Ev1 -HH (respectivement Ev2-HH) et un niveau d’énergie maximal de bande de valence occupée par les trous légers notée Ev1 -LH (respectivement Ev2-LH). De plus, une modification de la position de la bande de conduction et des bandes de valence se produit sous l’effet de la contrainte. Quand il s’agit d’une contrainte de tension, le gap d’énergie diminue (minimum de la bande de conduction diminue et maximum de la bande de valence augmente). Quand il s’agit d’une contrainte de compression, le gap d’énergie augmente (minimum de la bande de conduction augmente et maximum de la bande de valence diminue). Cela permet de réduire le recouvrement en énergie de gap énergétique à 240meV permettant de réduire l’épaisseur de la première couche C1 ainsi que l’épaisseur de la deuxième couche C2 à 2,9nm.

[0080] Le couplage quantique entre les différentes couches du super-réseau engendre la création d’une bande de conduction effective avec un niveau d’énergie minimum effectif Ec _e tf et d’une bande de valence effective avec un niveau d’énergie maximum effectif Ev _eff . Le gap d’énergie effectif du super-réseau Eg _eff = Ec _e ff - Ev _eff est égale à 0,492eV. Ainsi, selon la relation Planck-Einstein, la fréquence de coupure Àc=hc/ Eg _e ff =2,5pm avec h la constante de Planck et c la célérité de la lumière dans le vide.

[0081 ] D’où le super réseau SR’0 avec contrainte compensée sur un substrat InP avec un groupe élémentaire G0= GaASy’oSbiyo/ln _X ’oGai-x’oAs et des épaisseurs e1 =e2=2,9nm permet d’atteindre la longueur d’onde de coupure de 2,5pm. Cependant, les trous dans les puits de potentiel au niveau de C1 voient toujours un fort potentiel obtenu par la combinaison d’une large épaisseur de couches (2,9nm/2,9nm) et une haute différence de potentiel entre Ev _eff et Ev2 évaluée à 0,520 eV. L’effet du potentiel vu par les trous se manifeste dans l’augmentation de la masse effective des trous lourds dans la bande de valence effective qui est quantifié dans cette combinaison à 24 fois la masse d’un électron libre.

[0082] Le tableau 2 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR’0 avec G’0= GaAs _y ’oSbi- o/ln _X ’oGai-x’oAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm à une température de fonctionnement de 300K.

[0083] Il a été établi par les résultats exposés qu’un super réseau SR’0 avec G’0= GaASy’oSbi-y’o/ln _X ’oGai- _X ’oAs avec une contrainte compensée sur un substrat In P peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm mais avec des performances électro-optiques non satisfaisantes et un rendement quantique faible avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel très élevés. Ainsi, le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 1 ,2 fois la masse d’un électron libre m ₀ . Le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 6 fois la masse d’un électron libre m ₀ . Le super réseau SR’0 à deux couches avec une contrainte compensée et une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 24 fois la masse d’un électron libre m ₀ . On remarque une amélioration par rapport au super réseau SR0 en accord de maille mais cette amélioration reste insuffisante et plus particulièrement pour les longueurs d’onde de coupure 2,3pm et 2,5pm. Nous avons montré dans le passages précédents les limites de l’utilisation d’un super-réseau à deux couches pour réaliser une structure planaire d’absorption SPA d’un pixel Pxl appartenant à un détecteur infrarouge fonctionnant avec une fréquence de coupure dans la partie supérieure du domaine SWIR à des températures non cryogéniques. L’invention propose une nouvelle structure de super-réseau permettant de surmonter les limites des structures de super réseau à deux couches pour des fréquences de coupures entre 2,1 pm et 2,5pm avec un bon rendement quantique grâce à la baisse de la masse effective des trous.

[0084] La figure 2a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un premier mode de réalisation de l’invention.

[0085] La figure 2b illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau selon le premier mode de réalisation de l’invention obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat SUB.

[0086] Le pixel Pxl comprend un super-réseau SR1 comprenant un empilement le long de l’axe du pixel A d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices G1. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire G1 sont réalisées avec une contrainte compensée. Le groupe élémentaire G1 répété périodiquement comprend dans cet ordre :

- une première couche C1 en un premier matériau semi-conducteur SC1 .

- une deuxième couche C2 en un deuxième matériau semi-conducteur SC2.

- une troisième couche C3 en un troisième matériau semi-conducteur SC3.

- Une couche C’2 ayant la même composition que la couche C2 mais pouvant avoir une épaisseur différente e’2.

Le premier mode de réalisation correspond ainsi à un super réseau SR1 basé sur le groupe élémentaire suivant : G 1 =(C1/C2/C3/C’2).

[0087] Le premier matériau semi-conducteur SC1 de la couche C1 présente un premier gap d’énergie Eg1 , une première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et une première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 .

[0088] Le deuxième matériau semi-conducteur SC2 de la couche C2 présente un deuxième gap d’énergie Eg2, une deuxième valeur de maximum de bande de valence Ev2 inférieure à la première valeur de maximum de bande de valence Ev1 et une deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2 inférieure à la première valeur de minimum de bande de conduction Ec1 . [0089] Le troisième matériau semi-conducteur SC3 de C3 présente un troisième gap d’énergie Eg3 strictement inférieur au premier et au deuxième gap d’énergie Eg1 et Eg2 et une troisième valeur de minimum de bande de conduction Ec3 inférieure à la deuxième valeur de minimum de bande de conduction Ec2. D’une façon générale, l’insertion de la troisième couche C3 dans le super-réseau avec un matériau semi- conducteur SC3 à gap d’énergie réduit permet de réduire le recouvrement en énergie de gap REG. La réduction du recouvrement en énergie de gap REG donne la possibilité d’opter pour une épaisseur totale du groupe élémentaire G1 plus réduite dans le domaine des longueurs d’onde de coupure ciblées. La réduction de l’épaisseur du groupe élémentaire G1 permet de baisser la barrière de potentiel vue par les trous confinés dans les puits de potentiel et ainsi réduire leur masse effective, augmenter le rendement quantique et la mobilité des porteurs de charges positives.

[0090] La première couche C1 est en compression, la deuxième couche C2 est en tension et la troisième couche C3 est en compression. La somme des contraintes subies par un groupe élémentaire G1=( C1/C2/C3/C’2) est nulle.

[0091] A titre d’exemple, et sans perte de généralité, il est possible de réaliser le super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation via un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Pour illustrer ce mode de réalisation, la figure 2b décrit spécifiquement le diagramme de potentiel obtenu par le super-réseau SR1 avec les caractéristiques de dimensionnement et de compositions suivantes.

[0092] Dans l’exemple de la figure 2b, la longueur d’onde de coupure visée est 2,5pm. Pour obtenir cette longueur de coupure, les matériaux composants le super réseau selon le premier mode de réalisation de la façon suivante : la première couche C1 est réalisée avec l’alliage ternaire GaAs _y iSbi- _yi avec une fraction molaire d’arsenic y1 = 0,35 et une épaisseur e1 =1 ,2nm ;la deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire ln _x iGai- _x iAs avec une fraction molaire d’indium x1 = 0,25 et une épaisseur e2=0,6nm pour sa première utilisation (C2) dans le groupe élémentaire G1 et e’2=0,9nm pour sa seconde utilisation (C’2) dans le groupe élémentaire G1. La troisième couche C3 insérée entre les deux couches (C2, C’2) est réalisée avec l’arséniure d'indium InAs un composite binaire semi-conducteur de type lll-V avec un gap d’énergie réduit. L’épaisseur de la troisième couche C3 notée e3 est égale à 0,7nm.

[0093] Nous observons sur le diagramme de potentiel de la figure 2b, l’effet de l’insertion de la couche C3 en InAs combiné avec une croissance avec contrainte compensée qui va séparer les niveaux des trous lourds et trous légers. L’effet obtenu consiste en la réduction du recouvrement en énergie de gap REG et donc la possibilité d’utiliser des épaisseurs e1 , e2 et e3 de l’ordre de 1 nm pour chaque couche. Dans ce cas, le recouvrement en énergie de gap est effectif et il correspond à une combinaison des recouvrements en énergie de gap des différentes couches qui composent le super réseau. On obtient alors un pixel avec une valeur de gap effectif Eg _eff = Ec _e tf - Ev _eff égale à 0,493eV (Àc=hc/ Eg _eff «2,5pm) avec une épaisseur totale du groupe élémentaire G1 de 2,2nm, et une basse différence de potentiel entre Eveff et Ev2 évaluée à 0,360eV. La réduction de ces deux caractéristiques permet de baisser la barrière de potentiel des puits (couche C1 ) dans le super-réseau SR1 vue par les trous. La masse effective des trous est réduite à 2,8 fois la masse d’un électron libre pour une longueur d’onde de coupure de 2,5pm.

[0094] Le tableau 3 résume les résultats obtenus pour les différentes combinaisons du super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec G1 = GaAs _y iSbi- _y i/lnxiGai-xiAs/lnAs/ln _x iGai-xiAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP pour atteindre des longueurs d’ondes de coupure de 2,1 pm, 2,3pm et 2,5pm à une température de fonctionnement de 300K. [0095] Il a été établi par les résultats exposés qu’un super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation de l’invention avec G1 = GaAs _y iSbi- _y i/ln _x iGai- xiAs/lnAs/ln _x iGai-xiAs avec une contrainte compensée sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm avec des performances électro-optiques améliorées et un rendement quantique plus haut avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel réduite par rapport aux résultats obtenues avec une structure planaire absorbante constituée d’un super réseau à deux couches. Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,1 pm présente une masse effective des trous égale à 0,89 fois la masse d’un électron libre m ₀ (comparé à 2,1 xm ₀ pour SR’O et 9,8xm ₀ pour SRO). Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,3pm présente une masse effective des trous égale à 1 ,2 fois la masse d’un électron libre m ₀ (comparé à 6xm ₀ pour SR’O et 52xm ₀ pour SRO). Le super réseau SR1 selon le premier mode de réalisation avec une fréquence de coupure de 2,5pm présente une masse effective des trous égale à 2,8 fois la masse d’un électron libre m ₀ (comparé à 24xm ₀ pour SR’O et 71 ,8xm ₀ pour SRO). D’une façon plus générale, l’insertion d’une couche mince en un matériau à faible gap d’énergie dans le groupe élémentaire du super-réseau entre deux couches C2 permet de réduire la masse effective des trous au niveau des puits de potentiel. Les valeurs obtenues sont assez proches de celles des matériaux massifs et permettant d’obtenir un bon rendement quantique interne pour des longueurs d’ondes entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques. Le groupe élémentaire G 1 =(01/02/03/02) du super-réseau SR1 selon le premier mode de réalisation peut être réalisé avec une première couche C1 en GaAs _y Sbi- _y et une fraction molaire d’arsenic y inférieure à y _ma x =0,55 ; une deuxième couche C2 en ln _x Gai- _x As et une fraction molaire d’indium x inférieure à x _ma x =0,55.

[0096] La limite maximale de la fraction molaire, y _ma x=0,55 s’explique par l’inversion du sens de la contrainte pour des valeurs au-delà de y _acc ord=0,52 correspondant à l’accord de maille pour la fraction molaire d’arsenic y dans GaAs _y Sbi- _y sur un substrat InP. L’inversement du sens des contraintes (tension/compression) fait augmenter le recouvrement en énergie de gap de et donc réduire la longueur d’onde de coupure. On tolère un dépassement de cette limite jusqu’à y _ma x=0,55 car l’effet de l’inversement est réduit permettant toujours d’avoir un fonctionnement avec une fréquence de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques en dessous de y _ma x=0,55.

[0097] La limite maximale de la fraction molaire, x _max =0,55 s’explique par l’inversion du sens de la contrainte pour des valeurs au-delà de x _accor d=0,53 correspondant à l’accord de maille pour la fraction molaire d’indium x dans ln _x Gai- _x As sur un substrat InP. L’inversement du sens des contraintes (tension/compression) fait augmenter le recouvrement en énergie de gap et donc réduire la longueur d’onde de coupure. On tolère un dépassement de cette limite jusqu’à x _max =0,55 car l’effet de l’inversement est réduit permettant toujours d’avoir un fonctionnement avec une fréquence de coupure entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques en dessous de ymax ⁼ 0,55.

[0098] Ces choix de fractions molaires des alliages utilisés pour la réalisation du super réseau permettent d’appliquer des valeurs de contraintes sur les mailles des réseaux cristallins des couches du super réseau de façon à de réduire la barrière de potentiel vue par les trous tout en restant inférieur aux contraintes limites de dislocations qui fragilisent la structure mécanique du dispositif. Les contraintes et les épaisseurs de chaque couche C1 , C2 et C3 du groupe élémentaire G1 doivent respecter l’inégalité suivante pour éviter les phénomènes de dislocation : < 4000 ppm

[0099] Avec ej l’épaisseur de la i ^eme couche Ci du groupe élémentaire G1 , et la contrainte subie par les mailles de la i ^eme couche Ci du groupe élémentaire G1 .

[0100] La figure 3a illustre une vue en coupe d’un pixel détecteur infrarouge comprenant un super-réseau selon un second mode de réalisation de l’invention.

[0101] La figure 3b illustre un diagramme de potentiel selon la direction z de l’axe du pixel dans le super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention obtenu par épitaxie avec une contrainte compensée sur un substrat SUB.

[0102] Le pixel Pxl comprend un super-réseau SR2 comprenant un empilement le long de l’axe du pixel A d’un groupe élémentaire de couches semi-conductrices G2. Les couches semi-conductrices dudit groupe élémentaire G2 sont réalisées avec une contrainte compensée. Le groupe élémentaire G2 répété périodiquement comprend dans cet ordre :

- La deuxième couche C2 en un deuxième matériau semi-conducteur SC2 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.

- La troisième couche C3 en un troisième matériau semi-conducteur SC3 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.

- La première couche C1 en un premier matériau semi-conducteur SC1 présentant les mêmes caractéristiques (en terme de distribution de bandes intrinsèques) que celui utilisé le premier mode de réalisation préalablement décrit.

Le second mode de réalisation correspond ainsi à un super réseau SR2 basé sur le groupe élémentaire suivant : G2=(C2/C3/C1 ).

[0103] La première couche C1 est en compression, la deuxième couche C2 est en tension et la troisième couche C3 est en compression. La somme des contraintes subies par un groupe élémentaire G2=(C2/C3/C1 ) est nulle.

[0104] A titre d’exemple, et sans perte de généralité, il est possible de réaliser le super-réseau SR2 selon le premier mode de réalisation via un empilement d’une pluralité de couches fines de matériaux semi-conducteurs préférentiellement de type lll-V tel que, à titre d’exemple, l’arséniure de gallium, arséniure d'indium, nitrure de gallium, antimoniure de gallium, phosphure de bore, ainsi que leurs alliages ternaires ou quaternaires ou quinaires. Pour illustrer ce mode de réalisation, la figure 3b décrit spécifiquement le diagramme de potentiel obtenu par le super-réseau SR2 avec les caractéristiques de dimensionnement et de compositions suivantes :

[0105] Dans l’exemple de la figure 3b, la longueur d’onde de coupure visée est 2,5pm. La première couche C1 est réalisée avec l’alliage ternaire GaAs _y iSbi. _yi avec une fraction molaire d’arsenic y1 = 0,35 et une épaisseur e1 =1 ,2nm. La deuxième couche C2 est réalisée avec l’alliage ternaire ln _x iGai- _x iAs avec une fraction molaire d’indium x1 = 0,25 et une épaisseur e2=1 ,5nm. La troisième couche C3 insérée entre les couches C2 et C2 est réalisée avec l’arséniure d'indium InAs un composite binaire semi-conducteur de type lll-V avec une énergie de gap réduite. L’épaisseur de la troisième couche C3 notée e3 est égale à 0,7nm.

[0106] Comme expliqué précédemment, nous constatons sur le diagramme de potentiel de la figure 3b, l’effet de l’insertion de la couche C3 en InAs combiné avec une croissance avec contrainte compensée qui va séparer les niveaux des trous lourd et trous légers. L’effet obtenu consiste en la réduction du recouvrement en énergie de gap et donc la possibilité d’utiliser des épaisseurs e1 , e2 et e3 de l’ordre de 1 nm pour chaque couche. Dans ce cas, le recouvrement en énergie de gap est effectif et il correspond à une combinaison des recouvrements en énergie de gap des différentes couches qui composent le super réseau. On obtient alors un pixel avec une valeur de gap effectif Eg _eff = Ec _e tf - Ev _eff égale à 0,49eV (Àc=hc/ Eg _eff «2,5pm ) avec une épaisseur totale du groupe élémentaire G2 de 2,2nm, et une basse différence de potentiel entre Ev _e tf et Ev2 évaluée à 0,360eV. La réduction de ces deux caractéristiques permet de baisser la barrière de potentiel des puits (couche C1) dans le super-réseau SR1 vue par les trous. La masse effective des trous est réduite à 2,8 fois la masse d’un électron libre pour une longueur d’onde de coupure de 2,5pm.

[0107] Le super réseau SR2 selon le second mode de réalisation de l’invention avec G2=ln _x iGai-xiAs/lnAs/GaAs _y iSbi-yi avec une contrainte compensée sur un substrat InP peut atteindre des longueurs d’ondes de coupure au-delà de 2,1 pm avec des performances électro-optiques améliorées et un rendement quantique plus haut avec des valeurs de masses effectives des trous selon l’axe du pixel réduite par rapport aux résultats obtenues avec une structure planaire absorbante constituée d’un super réseau à deux couches.

[0108] D’une façon plus générale, l’insertion d’une couche mince en un matériau à faible gap d’énergie dans le groupe élémentaire du super-réseau permet de réduire la masse effective des trous au niveau des puits de potentiel. Les valeurs obtenues sont assez proches de celles des matériaux massifs et permettant d’obtenir un bon rendement quantique interne pour des longueurs d’ondes entre 2,1 pm et 2,5pm à des températures non cryogéniques. Le groupe élémentaire G2=(C2/C3/C1 ) du super-réseau SR2 selon le second mode de réalisation peut être réalisé avec une première couche C1 en GaAs _y Sbi- _y et une fraction molaire d’arsenic y inférieure à 0,55 ; une deuxième couche C2 en ln _x Gai- _x As et une fraction molaire d’indium x inférieure à 0,55. Les mêmes explications sur le choix des valeurs de fractions molaires détaillées précédemment restent applicables pour cette architecture. Ces choix de fractions molaires des alliages utilisés pour la réalisation du super réseau permettent d’appliquer des valeurs de contraintes sur les mailles des réseaux cristallins des couches du super réseau de façon à de réduire la barrière de potentiel vue par les trous tout en restant inférieur aux contraintes limites de dislocations qui fragilisent la structure mécanique du dispositif. Les contraintes et les épaisseurs de chaque couche C1 , C2 et C3 du groupe élémentaire G2 doivent respecter l’inégalité suivante pour éviter les phénomènes de dislocation : < 4000 ppm

[0109] Avec e, l’épaisseur de la i ^eme couche Ci du groupe élémentaire G2, et la contrainte subie par les mailles de la i ^eme couche Ci du groupe élémentaire G2.

[0110] D’une façon générale, pendant l’opération d’épitaxie, les compositions des matériaux utilisés pour réaliser les couches semi-conductrices des groupes élémentaires G1 (ou G2) sont choisis tel que le diagramme de bandes de conduction et de valence selon la direction d’empilement du super réseau SR1 (ou SR2) présente un gap d’énergie effectif Eg _e ff entre 400 meV et 750meV pour obtenir un dispositif détecteur ayant une fréquence de coupure (A _c ) choisie entre 1 ,6pm et 3,1 pm.

[0111] La figure 4 illustre des courbes des résultats de simulation de l’absorption pour un super-réseau selon l’état de l’art et un super-réseau selon le second mode de réalisation de l’invention pour une longueur d’onde de coupure à 2,3pm.

[0112] L’énergie absorbée de 0,54eV correspond à une longueur d’onde de coupure de 2,3pm. On démontre ici l’avantage de la structure planaire d’absorption SPA basée sur un super réseau selon l’invention par rapport à la solution avec un super réseau ayant un groupe élémentaire à deux couches. A titre d’exemple, pour une longueur d’onde incidente de 2pm (équivalent à 0,6eV) la solution selon l’invention présente une absorption de l’onde incidente trois fois supérieure à celle d’un super réseau ayant un groupe élémentaire à deux couches. [0113] La figure 5a illustre une vue en coupe d’un premier exemple de pixel Pxl comportant une structure planaire absorbante selon l’invention. La figure 5b illustre un schéma de diagramme de bande selon l’axe du pixel Pxl de la figure 5a.

[0114] Le pixel Pxl comprend le long de la direction d’empilement Z (où l’axe du pixel) dans cet ordre : le substrat SUB présentant les caractéristiques détaillées précédemment, une couche contact inférieur CONTJNF en un cinquième matériau semi-conducteur SC5 dopé N+, une structure planaire absorbante SPA selon l’invention avec des couches C1 , C2 et C3 dopées N et une couche contact supérieur CONT_SUP en un sixième matériau semi-conducteur SC6 dopé P présentant :

[0115] Le cinquième matériau semi-conducteur SC5 présente une cinquième valeur de maximum de bande de valence Ev5 strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _e tf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.

[0116] Le cinquième matériau semi-conducteur SC5 présente en outre un gap d’énergie Eg5 supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective Eg _eff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.

[0117] A titre d’exemples non limitatifs, il est possible d’utiliser les matériaux suivants pour réaliser le contact inférieur InGaAs dopé N+ ou InAIAs dopé N+ ou InP dopé N+.

[0118] Alternativement, il est possible de réaliser le contact inférieur CONTJNF avec un super-réseau SRJNF avec un empilement de couches dopées N+. Le super réseau utilisé pour le contact inférieur CONTJNF présente une valeur de maximum de bande de valence effective Ev _e ffjnf strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _eff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention. Le super réseau utilisé pour le contact inférieur CONTJNF présente en outre un gap d’énergie effectif Eg _e ffjnf supérieur ou égale à la valeur de gap d’énergie effective Eg _e ff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.

[0119] Le sixième matériau semi-conducteur SC6 utilisé pour réaliser le contact supérieur CONT_SUP présente une sixième valeur de maximum de bande de valence Ev6 strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _e tf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b. [0120] Le sixième matériau semi-conducteur SC6 présente en outre une sixième valeur de minimum de bande de conduction Ec6 strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective Ec _e tf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.

[0121] A titre d’exemples non limitatifs, il est possible d’utiliser les matériaux suivants pour réaliser le contact supérieur InGaAs dopé P+ ou InAIAs dopé P+ ou InP dopé P+.

[0122] Alternativement, il est possible de réaliser le contact supérieur CONT_SUP avec un super-réseau SR_SUP avec un empilement de couches dopées P. Le super réseau utilisé pour le contact supérieur CONT_SUP présente une valeur de maximum de bande de valence effective Ev _ef f_ _sup strictement inférieure à la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _eff du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention . Le super réseau utilisé pour le contact supérieur CONT_SUP présente en outre une valeur de minimum de bande de conduction Ec _e ff_ _SU p strictement supérieure à la valeur de minimum de bande de conduction effective Ec _e tf du super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention tel qu’illustré sur la figure 5b.

[0123] Dans le cas où le pixel est délimité par des zones de dopage tel que détaillé dans la figure 1 b, le dopage P utilisé pour réaliser le contact supérieur CONT_SUP peut diffuser partiellement dans le volume de la zone absorbante au niveau de l’interface avec le sixième matériau semi-conducteur SC6 (ou le super réseau SR_SUP). On considère ainsi que cette zone fait partie du contact supérieur CONT-SUP.

[0124] La figure 5b illustre une vue en coupe d’un second exemple de pixel Pxl comportant une structure planaire absorbante selon l’invention. La figure 5d illustre un schéma de diagramme de bande selon l’axe du pixel Pxl de la figure 5b.

[0125] Le pixel Pxl de la figure 5c reprend les mêmes caractéristiques du pixel décrit précédemment illustré par la figure 5a. L’empilement du pixel Pxl de la figure 5c se démarque par l’insertion d’une structure supplémentaire notée structure de transition C_trans confinée entre la structure planaire d’absorption et le contact supérieur CONT_SUP tel qu’illustré sur la figure 5d.

[0126] La structure de transition C_trans est réalisée en un septième matériau semi- conducteur SC7 dopé N présentant une septième valeur de minimum de bande de conduction Ec7 comprise entre d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective Ec _e tf du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la sixième valeur de minimum de bande de conduction Ec6 tel qu’illustré sur la figure 5d.

[0127] Alternativement, en considérant le cas où le contact supérieur CONT_SUP est réalisé avec un super-réseau avec des couches dopées P+, la septième valeur de minimum de bande de conduction Ec7 est comprise entre d’une part la valeur de minimum de bande de conduction effective Ec _e tf du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la valeur minimum de bande de conduction effective Ec _e ff_ _SU p du super réseau du contact supérieur CONT_SUP tel qu’illustré sur la figure 5d.

[0128] Le septième matériau semi-conducteur SC7 dopé P présente en outre une septième valeur de maximum de bande de valence Ev7 comprise entre d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _e tf du premier super réseau SR1 (ou SR2) selon l’invention et d’autre part la sixième valeur de maximum de bande de valence Ev6 tel qu’illustré sur la figure 5d.

[0129] Alternativement, en considérant le cas où le contact supérieur CONT_SUP est réalisé avec un super-réseau avec des couches dopées P+, la septième valeur de maximum de bande de valence Ev7 est comprise entre d’une part la valeur de maximum de bande de valence effective Ev _eff du premier super réseau selon l’invention SR1 (ou SR2) et d’autre part la valeur maximum de bande de valence effective Ev _e ff_ _SU p du super réseau du contact supérieur CONT_SUP.

[0130] D’un point de vue dimensionnement, il est possible de réaliser la structure de transition C_TRAN avec une couche en matériau massif semi-conducteur comme l’alliage ternaire ln ₀ ,53Ga ₀ ,47As dopé N- avec une épaisseur comprise entre 1 pm et 3pm déposée sur le super réseau selon l’invention ayant une épaisseur globale comprise entre 1 pm et 3pm.

[0131 ] La figure 6 illustre une vue en coupe d’un dispositif D1 de détection de rayonnements infrarouges comprenant une pluralité de pixels Pxl selon l’invention.

[0132] Le dispositif un dispositif D1 de détection de rayonnements infrarouges est monté sur le substrat SUB. Il s’agit d’un système hybride optoélectronique, comprenant : une partie optique OPT basée sur une matrice formée par une pluralité de pixels arrangé en lignes et en colonnes et une partie électronique consistant en un circuit de lecture intégré ROIC sur un substrat semi-conducteur permettant de lire individuellement le signal de chaque pixel de la partie optique OPT. Un pixel appartenant au système optoélectronique peut contenir un unique élément photosensible ou une pluralité d’éléments photosensibles connectés entre eux.

[0133] Alternativement, pour des applications spécifiques, il est envisageable de réaliser la partie optique OPT avec un unique pixel Pxl.

[0134] Le circuit intégré de lecture ROIC est réalisé au moyen d’une pluralité de transistors et de couches minces en matériau conducteurs, semi-conducteurs ou diélectriques selon la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) sur un substrat en silicium. Pour chaque pixel Pxl, une électrode enterrée est associée pour lire les signaux générés par les porteurs de charges photo générés par la structure photo détectrice d’un pixel Pxl.

[0135] En guise de conclusion, l’invention décrite propose une nouvelle structure de super-réseau pour réaliser la structure planaire absorbante d’un pixel de détection dans le domaine de l’infrarouge court. La structure de super-réseau selon l’invention permet d’atteindre les longueurs d’ondes de coupures ciblées au-delà de 2.1 pm tout en réduisant la masse effective des porteurs de charges positives (trous) ce qui améliorate le rendement quantique du détecteur par rapport aux solutions de l’état de l’art sur InP.. De plus, le procédé de fabrication et les choix de matériaux du superréseau selon l’invention sont compatibles avec des filières technologiques de procédé de fabrication matures tel que la filière technologique basées sur des substrat In P.