Le nitrure de gallium (GaN), en tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite de troisième génération, présente d’excellentes caractéristiques telles qu’une large largeur de bande passante (3,4 eV), un champ électrique critique élevé, une vitesse de dérive de saturation électronique élevée et une forte résistance aux radiations. Elle a montré de larges perspectives d’application dans le domaine de la détection des ultraviolets. En particulier dans des domaines de pointe tels que l’astronomie ultraviolette, la surveillance environnementale et la communication spatiale, le photodétecteur GaN, comme les photodiodes à avalanche (APD), peut atteindre une détection à haute sensibilité au niveau d’un seul photon. Quelle que soit la structure du dispositif, la qualité des matériaux épitaxials – y compris le choix du substrat, la conception de la couche tampon, la distribution du dopage, le contrôle de la densité des défauts, etc. – détermine directement les performances de base de l’APD, telles que le courant sombre, le gain, la tension de dégradation et la fiabilité.

1. Fondamentaux épitaxials des APD à base de GaN

1.1 Sélection du substrat

Les substrats de GaN en vrac sont rares et coûteux, donc la plupart de l’épitaxie GaN est réalisée sur des substrats hétérogènes. Une comparaison des substrats courants et de leurs paramètres clés est présentée ci-dessous :

Les principaux défis avec les substrats hétérogènes sont les grands désajustements de réseau et thermiques, qui doivent être abordés par la technologie de couche tampon pour libérer les contraintes et les dislocations de filtre. Par exemple, la culture de GaN sur des substrats de silicium utilise généralement une couche de nucléation d’AlN et une couche tampon graduée (Al,Ga)N ; sur les substrats saphir, une couche de nucléation GaN ou AlN à basse température est souvent utilisée.

1.2 Conception de la couche tampon

La couche tampon sert à bloquer l’extension des défauts du substrat dans la couche épitaxiale et à gérer les contraintes thermiques. Hamdaoui et al. (2024) ont rapporté une structure APD GaN-on-Si de haute qualité utilisant un tampon super-réseau (Al,Ga)N d’environ 1,5 μm d’épaisseur combiné à une couche de nucléation d’AlN à haute température, atteignant une densité de dislocations de filetage d’environ 5×10⁸cm⁻². Pour les substrats saphir, un tampon de GaN à basse température suivi d’une couche de GaN à haute température réduit encore la densité de dislocations. Une conception appropriée de la couche tampon peut également ajuster l’arquage des plaquettes et améliorer l’uniformité sur des substrats de grand diamètre.

1.3 Contrôle du dopage et densité des défauts

Le contrôle du dopage de type N dans l’épitaxie GaN utilise généralement le silane (SiH₄), avec des concentrations de dopage allant de 5×10¹⁵cm⁻³ (couche de dérive légèrement dopée) à 5×10¹⁸cm⁻³ (couche de contact n⁺). Le dopage de type P utilise du bis(cyclopentadiényl)magnésium (Cp₂Mg), mais en raison de l’énergie d’activation élevée de Mg dans le GaN (environ 170 meV), un recuit à haute température est nécessaire pour l’activation, et la concentration effective de dopage est généralement bien inférieure à celle de la stœchiométrie. La densité de défauts, en particulier les luxations de filetage, aggrave le courant de fuite inverse, réduit la tension de casse et conduit à une défaillance prématurée du dispositif. Par conséquent, réduire la densité de défauts est l’objectif central de l’optimisation épitaxiale.

2. Conception de la structure épitaxiale GaN pour les photodiodes à avalanche ultraviolette

2.1 Photodétecteur GaN p-i-n Épitaxie de la structure

La structure la plus fondamentale pour le photodétecteur GaN est la structure p-i-n. La séquence typique de couches épitaxiales est la suivante : sur un substrat, on fait croître successivement une couche de contact n⁺-GaN, une couche i-GaN légèrement dopée ou involontairement dopée (servant à la fois de région d’absorption et de multiplication), et une couche p-GaN. Lei et al. ont rapporté une structure p-i-n à base de saphir en épitaxie APD fonctionnant en mode rétroéclairé, où la lumière UV entre du côté saphir et la couche i-GaN agit comme principale région d’absorption et de multiplication. Notamment, le coefficient d’ionisation par impact des trous dans GaN est supérieur à celui des électrons, donc l’éclairage arrière (injection de trous dans la région de multiplication) réduit le bruit excessif. Des études connexes montrent qu’une structure n-i-p sur des substrats autonomes de GaN réduit encore la densité de courant sombre à 1,5×10⁻⁵A/cm² et atteint un gain allant jusqu’à 10⁵.

Pour les APD d’AlGaN nécessitant des caractéristiques de cégaire solaire, l’épitaxie intègre une couche d’absorption d’AlGaN à haute composition Al (par exemple, Al₀.₄Ga₀.₆N) ainsi qu’une couche de multiplication d’AlGaN à faible composition Al (par exemple, Al₀.₂Ga₀.₈N). Cependant, en raison du manque de substrats homépitaxiaux natifs, l’épitaxie AlGaN doit être cultivée sur des substrats saphir ou AlN, ce qui entraîne une forte densité de défauts. En insérant une couche de type n graduée par escaliers (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N), la densité de courant sombre peut être réduite de 6,5×10⁻⁵A/cm² à moins de 1×10⁻⁷A/cm².

2.2 Épitaxie de structure par absorption et multiplication séparées par GaN (SAM)

La structure SAM réalise l’ingénierie du champ électrique en insérant une couche de charge entre la couche d’absorption et la couche de multiplication, concentrant un champ électrique élevé dans la région de multiplication et un champ électrique faible dans la région d’absorption, réduisant ainsi le bruit et augmentant le gain. Une structure typique d’épitaxie APD de SAM en AlGaN comprend : couche de contact p-AlGaN / couche de multiplication AlGaN / couche de charge AlGaN / couche d’absorption d’AlGaN / couche n-AlGaN / substrat. La couche de multiplication utilise une faible composition d’Al (par exemple, Al₀.₂Ga₀.₈N) pour obtenir un coefficient d’ionisation à impact de trou élevé ; la couche d’absorption utilise une forte composition d’Al (par exemple, Al₀.₄Ga₀.₆N) pour des caractéristiques d’aveuglement solaire ; La couche de charge contrôle précisément la concentration et l’épaisseur du dopage afin d’adapter la distribution du champ électrique entre les deux couches. Une structure rapportée dans la littérature utilise un design à double couche de multiplication avec une composition d’Al élevée/basse, abaissant la tension de rupture de 116,3V à 96,9V. De plus, l’insertion d’une couche de filtre à cristal photonique unidimensionnel à l’arrière de la structure SAM améliore encore la capacité de détection de la neutralité solaire.

2.3 Conception de l’épitaxie améliorée par polarisation

Les puissants effets de polarisation spontanée et piézoélectrique dans les hétérojonctions III-nitrure peuvent être exploités pour renforcer le champ électrique intégré, réduisant ainsi la tension de fonctionnement des APD. Cette approche est connue sous le nom d’ingénierie de la polarisation. Les chercheurs ont proposé de remplacer la couche p-GaN dans un APD p-i-n par p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N ; la charge de polarisation entre InGaN et GaN permet à la région de multiplication d’atteindre le champ électrique critique à une polarisation plus faible, réduisant la tension de rupture de plus de 26V. De plus, l’introduction d’une couche hautement polaire Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N dans la structure SAM produit un champ électrique interne de 2,8 MV/cm et augmente le gain de 60 % à 7,2×10⁴. Une telle ingénierie de polarisation offre de nouvelles approches pour développer des photodétecteurs GaN à faible consommation et haute sensibilité.

3. Spécifications de l’épitaxie des photodétecteurs GaN commerciaux

Sur la base des principes de conception épitaxiaux ci-dessus, PWG propose divers wafers commerciaux de photodétecteurs de GaN à épitaxie avec des structures personnalisables, couvrant différents substrats et besoins d’application. Deux structures de produits typiques sont présentées ci-dessous, correspondant respectivement aux APD rétroéclairées à base de saphir et à la détection UV à faible coût à base de silicium.

1) Structure p-i-n rétroéclairée à base de saphir

2) Structure p-i-n à base de silicium

Note : Les valeurs spécifiques d’épaisseur et de dopage sont personnalisables.

Les produits commerciaux d’épitaxie ci-dessus prennent pleinement en compte les exigences différenciées de divers scénarios d’application concernant l’épaisseur de la couche épitaxiale, la concentration de dopage et le type de substrat (y compris saphir, SiC, silicium et GaN). Les utilisateurs peuvent sélectionner des produits standards appropriés ou demander une épitaxie personnalisée (structure p-i-n, structure SAM, etc.) selon la structure de leur appareil.

Références :

1. Lei, Q., Li, L., Lu, W., Tao, J., Ling, R., Zhang, L., ... & Gao, F. (2025). Préparation et progrès de la recherche des photodétecteurs d’avalanches basés sur le GaN. Microstructures, 5(4), N-A.

2. Hamdaoui, Y., Michler, S., Bidaud, A., Ziouche, K., & Medjdoub, F. (2024). Diodes à broches GaN entièrement verticales 1200-V avec capacité d’avalanche et courant d’état on-state élevé au-dessus de 10 A. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.