Conception, fabrication et caractérisation de photodiodes à base de nitrures semiconducteurs : application aux composants ultra-rapides

Design, fabrication and characterization of III-nitrides-based photodiodes : application to high-speed devices

• Auteur / Autrice : Bandar Alshehri
• Direction : El Hadj Dogheche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Micro et nano technologie
• Date : Soutenance le 07/10/2016
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Tuami Lasri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El Hadj Dogheche, Hong Wu Li, Xixiang Zhang, Didier Decoster, Abderrahim Ramdane
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hong Wu Li, Xixiang Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés semiconducteurs

Photodiodes

Dispositifs optoélectroniques

Mots clés libres

Nitrures semiconducteurs

Photodiodes

Conception et fabrication

Nitrides semiconductor

Photodiode

Design and fabrication

Résumé

Les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures disposant de largeur de bande interdite allant de 0,7 à 6 eV, connaissent un intérêt sans cesse croissant pour le développement de dispositifs optoélectroniques du futur. Le but de ces travaux est d’étudier, de concevoir et de développer une photodiode de type PIN à base de matériaux InxGa1-xN et GaN déposés par MOCVD et MBE. Elle est étudiée en considérant différentes configurations de la couche absorbante InGaN, à savoir une couche simple épaisse (SL) ou des puits quantiques (MQW). Toutefois en jouant sur la composition x en indium de la couche InGaN, cela permet la mise au point de différente longueur d'onde d'absorption dans la structure PIN. Des analyses structurales, microstructurales et optiques ont été réalisées par RX, TEM, PL, AFM et MEB pour des photodiodes PIN avec une couche absorbante InGaN de composition en indium variant de 10 à 50%. Nous avons pu vérifier que la qualité du matériau se dégradait lorsque l'on augmentait la teneur en indium et que cela impactait sur les performances de composants. La conception de la structure PIN a été définie pour différentes géométries de photodiode (de 25 à 104 μm²). Des caractérisations statiques et dynamiques de dispositifs fabriquées ont été réalisées afin d'obtenir la réponse de la photodiode. Pour les photodiodes à grande échelle, la valeur de photocourant a atteint un maximum de 3,2 mA démontrant une fréquence de coupure de 940 MHz. La μ-photodiode a révélé 395 μA de photocourant et une fréquence de coupure 1,45 GHz.

III-Nitrides semi-conductor materials with flexible bandgap has revealed a major interest for the future development of optoelectronic devices. The aim of this work is to study, design and develop a PIN photodiode based on InxGa1-xN and GaN materials deposited by MOCVD and MBE. Different configurations are considered for the InGaN absorbent layer: a single layer (SL) and multiple quantum wells (MQW). In order to observe the shift in the absorption wavelength, the composition of the InGaN layer ranges from10 to 50%. Structural, microstructural and optical analysis are performed using XRD, TEM, PL, AFM and SEM. We have verified that the material quality promptly degrades when increasing the indium content which impacts on the device performances. The design of the PIN structure is governed by the limitation of the active surface (from 25 to 104 μm²) in order to limit the global capacitance. Different prototypes are fabricated in clean room before characterization. Static and dynamic characterizations have been realized to qualify the photodiode response. We have investigated the influence of the indium content on the electrical performance. For the large-scale photodiodes, photocurrent value has reached a maximum of 3.2 mA with laser power of 75 mW demonstrating cut-off frequency of 940 MHz. μ-photodiode has revealed 395 μA of maximal photocurrent with cut-off frequency of 1.45 GHz.