Eléments d'orientation des photodiodes à avalanches pour l'infrarouge : application à la filière HgCdTe

Guiding elements for infrared avalanche photodiodes : application to the mercury cadmium telluride system

• Auteur / Autrice : Sophie Derelle
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mercure

Rayonnement infrarouge

Photodiodes

Mots clés libres

Photodiode a avalanche, infrarouge, mercure cadmium tellure, ionisation par impact, gain de multiplication, facteur d'excès de bruit, simulation Monte-Carlo, espace mort

Résumé

Le développement actuel des mosaïques infrarouge (IR) se traduit par l'intégration de nouvelles fonctionnalités optiques et électroniques pour répondre aux besoins des applications comme l'imagerie active ou hyperspectrale. Ces évolutions s'accompagnent d'une réduction du nombre de photons incidents par pixel d'où la question de préservation de l'intégrité du signal photonique. Une réponse possible à cette problématique est l'emploi de détecteurs à gain peu bruyants. Le phénomène d'amplification sans excès de bruit a été mis en évidence pour la première fois dans des photodiodes à avalanche (APD) en HgCdTe pour le moyen IR en 2001. Ce travail de thèse, réalisé à rOnera en collaboration avec le CEA/LETI, a pour objectif de fournir des éléments d'orientation de cette nouvelle filière de détecteurs. Pour cela, j'ai mis au point des bancs de caractérisation pour mesurer les performances électro-optiques (gain M, facteur d'excès de bruit F, courant d'obscurité, etc) de différents composants et j'ai développé un outil de simulation Monte Carlo afin de mieux comprendre le mécanisme d'ionisation par impact dans l'alliage HgCdTe et notamment l'influence de différents paramètres physiques et technologiques sur M et F. Ceci a permis de démontrer l'existence d'une amplification sans excès de bruit dans les APD pour le lointain IR de la filière française. Ces détecteurs souffrent cependant d'un courant tunnel élevé qui limite leur utilisation. Les simulations ont montré que M et F sont peu affectés par les variations de la largeur de la zone de multiplication ce qui nous a conduit à réaliser de nouveaux composants, à zone de multiplication élargie, pour réduire le courant tunnel

The current development of infrared focal plane arrays results in the integration of new optical and electronic functionalities to meet the needs for emergent applications like hyperspectral and active imaging. These evolutions are accompanied by a reduction of the incident photon number per pixel what raises the question of the preservation of photonic signal integrity. A possible response to that issue is the use of detector with gain and low associated noise. The phenomenon of electronic amplification without excess noise has been demonstrated for the frrst time in 2001 in mid¬wavelength infrared HgCdTe avalanche photodiodes (APDs). This work, made at Onera in collaboration with CEA/LETI, aims at providing elements of guiding for this new detector technology. To reach this goal, 1 realized experimental test benches in order to measure electro-optical performance (gain M, excess noise factor F, dark current) of several devices and 1 developed a Monte Carlo simulation tool in order to better understand the mechanism of impact ionization in the HgCdTe alloy and particularly the effect of various physical and technological parameters on M and F. This work makes it possible to demonstrate an amplification without excess noise in the French technology for long wavelength infrared APDs. These detectors nevertheless suffer from a high tunnelling current which limits their use. Monte Carlo simulations show that the gain and the excess noise factor are little modified by variations of the multiplication region thickness which leads us to carry out new long wavelength infrared devices, with thicker multiplication region, in order to reduce tunnelling current