Développement de photodiodes à avalanche en Ge sur Si pour la détection faible signal et grande vitesse

Development of Ge on Si avalanche photodiodes for low signal and high speed detection

• Auteur / Autrice : Léopold Virot
• Direction : Laurent Vivien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Peucheret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vivien, Christophe Peucheret, Jean-Pierre Vilcot, Guy Vitrant, Sophie Bouchoule, Mohand Hachouche, Jean-Marc Fédéli, Frédéric Bœuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Vilcot, Guy Vitrant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Photodiodes

Télécommunications optiques

Photonique

Mots clés libres

Photonique

Silicium

Germanium

Photodiode

Avalanche

Photonics

Silicon

Germanium

Photodiode

Avalanche

Résumé

Afin d’adresser la problématique liée aux limitations des interconnections métalliques en termes de débits notamment, la photonique Si s’est imposée comme une technologie de choix. Un des composants de base des circuits photonique Si est le photodétecteur : Il permet de convertir un signal optique en signal électrique. Les photodétecteurs à base de Ge sur Si ont montré leur potentiel et offrent la meilleure alternative aux photodétecteurs III-V, pour une intégration dans les circuits photoniques Si.Dans ce contexte, les photodiodes à base de Ge su Si ont été étudiées. L’optimisation des photodiodes p-i-n a permis l’obtention de résultats à l’état de l’art. Une nouvelle approche utilisant une double hétéro-jonction latérale Si/Ge/Si a été proposée afin d’augmenter la responsivité mais aussi afin de proposer une meilleure solution d’intégration, avec les modulateurs Si notamment. Pour augmenter encore la sensibilité des récepteurs, l’utilisation de photodiodes à avalanche est cependant nécessaire. La structure SACM (Separate Absorption Charge Multiplication), combinant le faible bruit de multiplication du Si et l’absorption du Ge aux longueurs d’onde télécom, a d’abord été étudiée. Des modèles ont été développées afin d’optimiser le fonctionnement, et ces photodiodes ont été fabriquées et caractérisées. Les résultats obtenus sur des photodiodes éclairées par la surface (produit Gain-Bande passante de 560GHz à seulement -11V) sont très encourageant pour une intégration avec un guide d’onde. D’autre part, les photodiodes p-i-n en Ge sur Si, ont été étudiées en avalanche. La faible largeur de la zone intrinsèque a permis de diminuer le bruit de multiplication par effet « dead space », et le fonctionnement à 10Gbits/s pour un gain de 20 et une puissance optique de seulement -26dBm, pour une tension de -7V, sans utilisation d’amplificateur (TIA), a pu être démontré. Ces développements ouvrent ainsi la voie vers des récepteurs rapides, à faible consommation électrique et grande sensibilité.

To address the issue related to the limitations of metallic interconnects especially in terms of bitrate, Si photonics has become the technology of choice. One of the basic components of photonic circuits is the photodetector: It allows to convert an optical signal into an electrical signal. Photodetectors based on Ge on Si have shown their potential and offer the best alternative to III-V photodetectors, for integration into Si photonic circuits. In this context, the Ge on Si photodiodes have been studied. The optimization of pin photodiodes enabled the achievement of state of the art results. A new approach using a double lateral Si/Ge/Si heterojunction was proposed to increase the responsivity but also to provide a better integration solution, especially with Si modulators. To further increase the sensitivity of the receivers, the use of avalanche photodiodes, is however necessary. SACM (Separate Absorption Charge Multiplication) structure, combining Si low multiplication noise and Ge absorption at telecom wavelengths was first studied. Models have been developed to optimize the devices, and the photodiodes have been fabricated and characterized. The results obtained on the surface illuminated photodiodes (Gain-bandwidth product of 560GHz only -11V) are very encouraging for waveguide integration. On the other hand, Ge on Si pin photodiodes have been studied in avalanche. The small width of the intrinsic region contributed to the multiplication noise reduction thanks to "dead space" effect, and operation at 10Gbps for a gain of 20 and an optical power of -26dBm at only-7V, without using amplifier (TIA), have been demonstrated. These developments open the way to fast, low power consumption and high sensitivity receivers.