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Caractérisation de photodiodes UTC
Sara Bretin, Maximilien Billet, Philipp Latzel, Fabio Pavanello, Emilien Peytavit,
Jean-François Lampin, Mohammed Zaknoune et Guillaume Ducournau
Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN)
Avenue Henri Poincaré
59652 Villeneuve d’Ascq cedex
E-mail : [email protected]
[email protected]
Résumé
Les photodiodes à transport unipolaire (UTC :UniTravelling-Carrier) sont des évolutions des photodiodes
PIN. Les performances aux fréquences TeraHertz de ces
dernières sont limitées par le temps de transit des trous
dont la masse effective est plus élevée que celle des
électrons. La principale amélioration tient à la
dissociation de la zone absorbante de la zone de
collection. Les phénomènes de photo-génération
résultent de l'utilisation d'une couche absorbante en
InGaAs, dopée p afin de ne pas être limité par la
dynamique des trous et d'épaisseur réduite afin de
réduire le temps de diffusion des électrons dans la
couche
absorbante.
Cette
dissociation
absorption/collection permet de réduire la taille de la
zone absorbante afin d'optimiser le temps de transit des
trous et de garder une taille suffisante de collecteur
pour assurer un court temps de charge et décharge de
la structure chargée par un circuit externe. La vitesse
de transit des charges est une caractéristique essentielle
aux fréquences TéraHertz. D'un autre côté, le
rendement optoélectronique de cette photodiode dépend
directement de l'épaisseur de la zone absorbante. Ainsi,
plusieurs topologies de photodiodes UTC ont été
proposées afin d'en améliorer les performances. Par
exemple,
à
l'IEMN,
l'utilisation
d'électrodes
nanostructurées est mise en œuvre afin d'améliorer le
rendement quantique. D'autre part, la création d'un
effet de cavité via l’utilisation d’une couche d’or et des
électrodes comme miroirs optiques dans la structure de
l'UTC permet d'avoir une augmentation de la
photoréponse en A/W du dispositif sans augmenter
l'épaisseur de la zone absorbante.
Les photodiodes UTC sont des dispositifs
optoélectroniques pouvant être utilisés pour la détection
ou la génération d’ondes hyperfréquences et THz par
phénomène de photomélange [1]. La structure de
photodiode UTC a été développée par le laboratoire NTT
au Japon en 1997 [2]. La différence majeure entre les
photodiodes UTC et les photodiodes PIN (Positive
Intrinsic Negative) est la séparation de la zone absorbante
de la zone de collection permettant de diminuer le temps
de transit des charges et ainsi augmenter les fréquences
de coupure du dispositif.
La photoréponse de la structure est définie en fonction
du rapport du photocourant généré sur la puissance
optique incidente. Des mesures de photoréponse de
différentes structures de photodiodes UTC sont
présentées pour un régime d'illumination continue.
L'effet de la géométrie de l’électrode nanostructurée
ainsi que l'influence de la mise en cavité sont détaillées.
2. Les photodiodes UTC caractérisées
La structure initialement conçue par T. Ishibashi a
connu de nombreuses évolutions afin d’améliorer
l’efficacité de la photodiode. L'utilisation d'une électrode
nanostructurée formée d'un arrangement périodique d'or
permet d'optimiser la puissance transmise dans la
couche active de semiconducteur (InGaAs) [3].
Cette électrode nanostructurée est définie en fonction
de sa période et de la largeur des plots (cf. figure 1). La
réduction de la taille des électrodes, et en conséquence de
la taille des structures, permet de diminuer les pertes dues
aux résistances et capacités parasites.
Différentes topologies de photodiodes UTC sont
testées sous un régime d’illumination continue afin
d'évaluer les performances en sensibilité spectrale.
1. Introduction
Les ondes THz sont des ondes électromagnétiques
dont la fréquence est comprise entre celles des microondes et des rayons infrarouges (100GHz-30THz).
Figure 1. Electrode supérieure nanostructurée.
Les deux types de structures caractérisées possèdent
une zone absorbante en InGaAs permettant la génération
de paires électrons trous. Le collecteur est en InP afin de
collecter les électrons générés dans la zone absorbante et
de les accélérer vers l’électrode inférieure.
Il est également possible de placer la photodiode en
cavité, en exploitant les électrodes comme des miroirs
optiques. L'électrode face avant est alors comme dans le
cas précédent nanostructurée, ce qui permet de contrôler
ses propriétés optiques via le choix de sa géométrie
(période, ouverture et hauteur) [4]. La mise en cavité
permet d'optimiser l'absorption optique, et donc la
photoréponse puisque la lumière est réfléchie entre les
deux électrodes ce qui augmente le trajet parcouru par
l'onde dans la couche absorbante.
Ces dispositifs permettent d'obtenir des résonances à
la longueur d'onde souhaitée, soit 1550 nm, quand
l'épaisseur de la cavité et les paramètres géométriques
de l'électrode nanostructurée sont bien choisis.
qu'une fois par le signal optique alors que le faisceau est
réfléchi sur le miroir dans le cas de la structure en cavité.
La photoréponse de la structure en cavité est plus
élevée que la structure sans cavité. Pour un dispositif de
dimensions identiques (par exemple 100 µm²), l'ajout du
miroir face arrière augmente la photoréponse d'un
facteur 5.5 pour une longueur d'onde d'illumination de
1550 nm ce qui montre l’intérêt de cette structure (cf.
figure 3).
3. Caractérisation expérimentale
La mesure de la photoréponse est effectuée sous
illumination continue pour des photodiodes UTC non
polarisées.
Les dispositifs sont éclairés par un laser à cavité
étendue accordable entre 1510 nm et 1640 nm dont la
sortie est injectée dans une fibre optique. Le faisceau est
ensuite polarisé TE (transverse électrique), mode pour
lequel le champ magnétique est parallèle au vecteur du
réseau formé par l'électrode périodique (cf. figure 1)
grâce à une lame demi-onde et un polariseur (cf.
figure 2).
Deux fibres optiques, qui différent par le diamètre du
mode optique de sortie (10.5 µm et 3 µm), sont utilisées
pour réaliser l'éclairement.
Figure 3. Mesure de la photoréponse des photodiodes UTC
de 100 µm² sous une illumination continue en fonction de la
longueur d’onde pour une tension de polarisation nulle.
4.2. Dimensions de l’UTC et photoréponse
Les photodiodes UTC ont des applications
principalement dans le domaine des hyperfréquences et
THz,
fréquences
pour
lesquelles
l’électrode
nanostructurée présente un bon compromis sur les
résistances et capacités parasites. Deux dimensions de
structures UTC avec les mêmes épitaxies ont été
mesurées. Sur la figure 4, la résonance est élargie sur les
plus petites structures. Le facteur de qualité évolue de
24.2 pour les UTC de 100 µm² à 28.5 pour celles de
36 µm².
L'atténuation de cette réponse, pour les photodiodes
UTC de 36 µm², s'explique par le diamètre du mode du
faisceau incident supérieur à la surface de l'UTC.
Figure 2. Montage de caractérisation des photodiodes UTC
avec contrôle de la polarisation sous illumination continue.
4. Les réponses obtenues
Les mesures de photoréponses sont réalisées sous
éclairement continu pour des longueurs d'ondes variant
entre 1510 nm et 1640 nm en incidence normale. La
tension de polarisation est nulle.
4.1. Photodiodes UTC avec et sans cavité
résonante.
Les deux types de structures, avec et sans cavité ont
été mesurées en utilisant une fibre lentillée monomode
dont le diamètre de mode optique est de 10,5 µm. La
zone absorbante de la structure sans cavité n'est traversée
Figure 4. Mesure de la photoréponse des photodiodes UTC
de 100 µm² et 36 µm² de surface sous illumination continue
en fonction de la longueur d’onde pour des rapports cycliques
d’électrode nanostructurée de 0.5.
4.3. Réponses en fonction de la surface des UTC
5. Conclusions et perspectives
Les surfaces des composants inférieures à 100 µm² ne
reçoivent pas la quantité totale de photons émis en sortie
de la fibre lentillée monomode. La puissance incidente
réelle sur le composant diminue et en conséquence la
photoréponse de la photodiode UTC.
L'utilisation d'une fibre lentillée dont le diamètre du
faisceau est de 3 µm sur des structures de 16 µm² permet
de comparer les photoréponses en fonction de la surface
des photodiodes. Dans le tableau 1, les structures
éclairées avec des diamètres de mode adaptés à leur
surface présentent une amplitude crête à crête de
photoréponse équivalente.
La plus importante amplitude de variation est obtenue
sur la structure de 100 µm² pour un diamètre de mode de
3 µm de diamètre (cf. tableau 1).
Sur les structures caractérisées, l'amplitude de
photoréponse des photodiodes UTC avec cavité est plus
importante que pour la topologie sans cavité. Le besoin
de limiter la surface des photodiodes mène à des
structures plus petites pour lesquelles la photoréponse
diminue en raison de l’inadaptation du diamètre de mode
de la fibre incidente. Pour deux structures de même
rapport cyclique d’électrode nanostructurée, avec des
surfaces différentes, mais un diamètre de mode de
faisceau optique incident adapté à la surface de l'UTC,
l’amplitude des photoréponses est équivalente.
L'objectif est maintenant de caractériser ces
photodiodes aux fréquences TéraHertz.
Surface du
composant
(µm²)
Nombre de
période
Diamètre
de mode
(µm)
Amplitude
de photoréponse
(A/W)
100
10
10
0.25
100
10
3
0.42
16
4
10
0.017
Ce projet est soutenu par la Direction Générale de
l’Armement (DGA), la région Nord-Pas-de-Calais,
l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) par le contrat
Com'toniq, l'Equipex "flux", le CPER "Photonics for
Society" et l’Université Lille1. Les auteurs souhaitent
remercier le réseau Renatech des centrales de
technologies du CNRS.
16
4
3
0.24
Table 1. Amplitudes des photoréponses des photodiodes
UTC en fonction de leur surface et du diamètre de mode du
faisceau optique incident en illumination continue.
Les deux photodiodes aux photoréponses équivalentes
en figure 5 présentent une variation du facteur de qualité.
Celles de 16 µm² présentent un facteur de qualité de 28.5
alors qu’il est de 19.5 pour celles à 100 µm². Cela peut
s’expliquer par un faisceau comportant des vecteurs
d’ondes divergents influençant le comportement de la
cavité et la longueur d’onde de résonance du dispositif.
Remerciements
Références
[1] G. Ducournau, "Ultrawide-Bandwidth Single-Channel 0.4THz Wireless Link Combining Broadband Quasi-Optic
Photomixer and Coherent Detection", ieee transactions on
terahertz science and technology, vol. 4, no. 3, may 2014).
[2] T. Ishibashi et al. "PIN photodiode with improved frequency
response and saturation output" (1998).
[3] F. Pavanello "Uni travelling carrier photodiodes and metal
mesh filters based on sub-wavelength apertures for THz
applications". Thèse soutenue à l’université Lille 1, 2013.
http://www.theses.fr/2013LIL10172
[4] P. Latzel. "High efficiency THz photomixers based on
indium metallic wafer bonding". Thèse soutenue à
l’université
Lille
1,
2014.
http://www.theses.fr/2014LIL10025
Figure 5. Mesures de la photoréponse des photodiodes UTC
à rapport cyclique d’électrode nanostructurée de 0.5 µm/1 µm
sous illumination continue en fonction de la longueur d’onde
avec un diamètre de mode du faisceau incident adapté à la
surface de la structure.