Développement de photodiodes InGaAs petit pas pixel pour la détection du SWIR

Development of small pixel pitch InGaAs photodiodes for SWIR sensing

• Auteur / Autrice : Jules Tillement
• Direction : Thierry Baron, Frédéric Bœuf, Jacques Baylet, Cyril Cervera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 08/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Quentin Rafhay, Nicolas Péré-Laperne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Sagnes, Vincent Goiffon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement infrarouge

Imagerie (technique)

Arséniure de gallium

Photodiodes

Mots clés libres

Imagerie

InGaAs

Iii-V

Swir

Mesa

Photodiodes

Photodiodes

InGaAs

Iii-V

Sensor

Mesa

Swir

Résumé

Dans le contexte actuel où l’utilisation des capteurs d’image est en pleine croissance et diversification, ce travail de thèse porte sur le développement d’un capteur d’image petit pas pixel en InGaAs pour le SWIR.La méthode traditionnelle de dopage des photodiodes InGaAs par diffusion de Zn présente des contraintes qui pourrait limiter la réduction du pas de pixel sous 5 µm. Cette thèse propose d’explorer deux méthodologies alternatives de dopage soit par implantation de Be soit par dopage à la croissance qui pourraient simplifier la diminution du pas pixel tout en conservant des performances comparables à l’état de l’art.La méthode de réalisation des photodiodes par implantation a permis de démontrer des photodiodes jusqu’au pas de 3 µm avec un courant d’obscurité amélioré par rapport à la littérature du domaine mais largement supérieur à l’état de l’art des photodiodes InGaAs autour du nA/cm². Notre meilleur résultat obtenu est un courant d’obscurité de 1 µA/cm² à -0.12V à température ambiante pour un pas pixel de 15 µm.La deuxième alternative de fabrication des photodiodes grâce au dopage à la croissance a montré des performances très prometteuses qui atteignent les meilleurs niveaux de courant d’obscurité rapportés par la littérature à ce jour. Notre meilleure performance mesurée au pas de 5 µm est 4.4 nA/cm² à -0.1V et 23°C. Nous avons aussi calculé le rendement quantique brute de ces photodiodes autour de 54% et estimé un rendement quantique interne à environ 70%.Ces travaux de thèse ont permis d’identifier une nouvelle architecture de photodiode gravée pour la fabrication des photodiodes InGaAs petit pas pixel dont les performances sont comparables avec celles des photodiodes de l’état de l’art.

In the current context where the use of image sensors is increasing and diversifying, this work is part of the development of a small pixel pitch InGaAs sensor for the SWIR. The traditional method of doping by Zn diffusion presents constraints that limit the reduction of the pixel pitch. This thesis explores two alternative methodologies : doping by Be implantation and in-situ doping, which could simplify the reduction of the pixel pitch while maintaining performances comparable to the state of the art.The method by implantation has demonstrated photodiodes up to 3 µm pixel pitch with a lower dark current compared to the literature in the field but significantly higher than the state of the art for InGaAs photodiodes around nA/cm². Our best result obtained is a dark current of 1 µA/cm² at -0.12V at room temperature for 15 µm pixel pitch.The second alternative through in-situ doping has shown very promising performances that reach the best levels of dark current reported by the literature to date. Our best performance measured at 5 µm pitch is 4.4 nA/cm² at -0.1V and 23°C. We have also calculated the raw quantum efficiency of these photodiodes at around 54% and estimated the internal quantum efficiency at about 70%.This work has defined a new architecture for the fabrication of small pixel pitch InGaAs photodiodes whose performances are comparable with those of state-of-the-art photodiodes.