Photodiodes à avalanche GaInAs/Al(Ga)InAs pour la détection à 1,55µm : applications aux télécommunications optiques et à la détection en espace libre

GaInAs/Al(Ga)InAs avalanche photodiodes for 1,55µm detection : applying to optical telecommunications and free space detection

• Auteur / Autrice : Anne Rouvié
• Direction : Didier Decoster
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 19/01/2009
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• DOI : 10.70675/c907aca3z73cfz4477z97caz899c04ba9ba0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Télécommunications optiques

Gallium -- Composés

Aluminium -- Composés

Phosphure d'indium

Diodes à avalanche

Photodiodes

Mots clés libres

Courant d'obscurité

Produit gain-bande passante

Résumé

Cette thèse présente l'étude des photodiodes à avalanche de structure SAGM, à zone d'avalanche en Al(Ga)InAs et à zone d'absorption en GaInAs réalisées sur substrat InP. Ces APD visent deux types d'applications: les télécommunications optiques pour les réseaux métro/accès à 10Gb/s et la détection en espace libre pour la profilométrie de type LIDAR. Tout d'abord, la mesure des coefficients d'ionisation de différents composés Aluminium a orienté notre choix du matériau d'avalanche vers l'AlInAs qui possède le rapport des coefficients d'ionisation le plus élevé. Ensuite, les mesures et les simulations du courant d'obscurité nous ont permis d'une part de déterminer son origine et de le réduire, et d'autre part, d'établir un modèle de la photodiode (courant d'obscurité, gain et bande passante) que nous avons validé grâce à l'étude de différentes structures verticales et de différentes géométries de diodes. Enfin, la caractérisation des APD réalisées a démontré simultanément un faible courant d'obscurité multiplié lobs.M = 2nA, une responsivité élevée R0(M = 1) = 0,9A.W-1 à 1,55µm, un faible facteur d'excès de bruit f(M = 10) = 3,5 et un produit gainxbande passante élevé G x B = 150GHz qui placent nos composants au meilleur niveau de l'état de l'art. Les mesures du taux d'erreur et de la sensibilité de photorécepteurs utilisant nos diodes valident l'amélioration qu'apportent ces APD par rapport à la concurrence. De plus, les premières mesures de sensibilité en espace libre confirment l'intérêt porté à ce type de photodiodes.

This thesis presents the study of SAGM avalanche photodiodes, with a thin Al(Ga)InAs avalanche layer and a GaInAs absorption layer, grown on InP substrate. These APDs target two applications : optical telecommunications for 10Gb/s metro/access networks and free space detection for LIDAR profilometry. First, the ionization coefficients measurements on several Aluminium compound materials lead us to choose AlInAs as avalanche material because of its high ionization coefficients ratio. Then dark current measurements and simulations allow us on one hand, to find its origin and to reduce its level, and on the other hand, to make out a photodiode model (dark current, multiplication factor and bandwidth) which was validated through the study of various APD vertical structures and diode geometries. Finally, the APDs characterization simultaneously demonstrates a low multiplied dark current Id,M = 2nA, a high responsivity R0(M = 1) = 0,9A.W-1 at 1,55µm, a low excess noise factor f(M = 10) = 3,5 and a high gain×bandwidth product G × B = 150GHz, which put our components at the best state of the art level. System measurements such as bit error rate or sensitivity carried out on photoreceivers using our diodes validate the improvement brought by these APDs compared to competitors. Moreover, the early free space sensitivity measurements confirm the interest showed to this kind of photodiodes.