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 : sara.bretin@ed.univ-lille1.fr
guillaume.ducournau@iemn.univ-lille1.fr
Résumé
Les photodiodes à transport unipolaire (UTC :Uni-
Travelling-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.
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 micro-
ondes et des rayons infrarouges (100GHz-30THz).
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.
Figure 1. Electrode supérieure nanostructurée.