Différences entre gammes spectrales

Plusieurs groupes [95], [96], [97], [98], [99] ont mené des campagnes approfondies de mesures de bruit dans différentes configurations géométriques de photodiodes CdHgTe (Figure 81) et dans différentes gammes spectrales allant du moyen (MWIR) au lointain infrarouge (LWIR) (~3 à ~12 µm).

Trois grandes catégories de configuration de photodiodes ont fait l’objet de larges études de bruit par différents pionniers du domaine. La première catégorie représentée sur la Figure 81 (a) est obtenue par le dopage local du matériau par implantation ionique. Les espèces dopantes, introduites dans le matériau suite à un bombardement ionique forment un caisson dopé différemment du reste du semi-conducteur. Le masquage d’une partie du matériau implanté par une résine photosensible permet la localisation de la photodiode. La structure ainsi obtenue est dite planaire étant donné que sa surface supérieure reste plane, à la différence de la structure représentée sur la Figure 81 (b). La croissance de cette dernière est réalisée en introduisant une variation contrôlée de la densité d’espèces dopantes lors de la croissance épitaxiale. Une étape de gravure localisée et plus ou moins profonde de la jonction permet la réticulation des photodiodes. On parle alors de structure mesa (table en espagnol) étant donné la géométrie résultante. Dans les deux configurations, une étape de passivation est généralement indispensable en vue de limiter la génération des porteurs noirs et les recombinaisons des photo-porteurs à l’interface. La troisième configuration de photodiode est illustrée sur la Figure 81 (c). Cette structure exotique et spécifique au CdHgTe est dite structure à haute densité d’intégration verticale ou encore structure loophole. Le processus de fabrication consiste dans cette structure à venir coller la couche active de CdHgTe sur le circuit de Silicium à l’aide d’une colle époxy. L’ensemble est ensuite manipulé à la manière d’un circuit monolithique. Une étape d’amincissement de la couche absorbante est en premier lieu entreprise en vue d’obtenir une épaisseur optimum pour le fonctionnement de la structure de détection. Une bonne passivation de cette interface est donc indispensable. L’étape la plus critique consiste ensuite en la gravure profonde de vias à travers le CdHgTe et la colle époxy, jusqu’à atteindre la connectique du ROIC. L’ultime étape consiste à remplir les vias de métal en vue de créer les contacts diodes. Cette structure exotique a pour principal avantage la réalisation simultanée des jonctions et des interconnexions.

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Figure 81 : Représentation schématique d’une (a) structure planaire, (b) structure mesa, (c) structure HDVIP.

La partie qui suit expose les différentes tendances de bruit observées dans la littérature dans les configurations de photodiodes décrites ci-dessus en fonction de la gamme spectrale étudiée et en fonction des différents paramètres technologiques et géométriques.

3.1.1 Cas du MWIR

Le bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe dans la gamme MWIR a longtemps suscité l’intérêt de plusieurs groupes [95], [96], [97]. Radford [95] a mesuré le bruit 1/f dans des photodiodes n/p en fonction de la température, de la surface de la jonction, et de la tension de la diode en vue d'identifier les mécanismes de bruit dominants. Deux types de composants ont fait l’objet d’une étude de bruit détaillée : des composants à implantation ionique et des composants à double couche épitaxiale. Pour les deux dispositifs la densité spectrale de puissance de bruit 1/f était proportionnelle à la surface de la jonction. Bajaj [96]a mesuré le bruit 1/f dans des photodiodes n+/p à implantation ionique ayant différentes géométries. Ces photodiodes ont été examinées afin de déterminer les contributions du volume et de la surface en termes de bruit pour des températures allant de 77 à 250 K. Deux types de diodes ont été étudiés : des diodes mesa non passivées et des diodes planaire passivées (CdTe). À des températures élevées, l’étude de bruit a montré pour les deux types de diodes, une densité spectrale de puissance de bruit proportionnelle à la surface et un courant d’obscurité proportionnel au périmètre. Dans les diodes n/p à implantation ionique caractérisées par Chung [97], la puissance de bruit s’est avéré être inversement proportionnelle au périmètre et semblait avoir comme origine la surface de la zone de déplétion.

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3.1.2 Cas du LWIR

Dans la gamme LWIR, le bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe a tout aussi bien suscité l’intérêt de plusieurs groupes [98], [99]. Nemirovsky [98] a mesuré le bruit 1/f dans des photodiodes n/p en fonction de la tension de la diode, de la tension de polarisation de la grille, et enfin des courants de fuite. Il a constaté que les densités de bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe semblaient plutôt être liées au volume. Bae [99] a constaté que les centres de recombinaisons (pièges) pouvaient être responsables du bruit 1/f dans les photodiodes testées.

Les hypothèses formulées ci-dessus concernant l’origine du bruit 1/f dans les deux gammes spectrales MWIR et LWIR correspondent à des diodes relativement anciennes dont les performances étaient limitées par le phénomène de génération-recombinaison dans la zone de déplétion et dans lesquelles le bruit 1/f posait encore problème à basse température. Les valeurs de courant d’obscurité et de bruit observées à cette époque étaient nettement supérieures à celle obtenues aujourd’hui.

Depuis ce temps, des diodes hautes performances avec des performances de bruit limitées à basse température par le bruit de grenaille sont systématiquement obtenues par la plupart des acteurs travaillant à basse température quel que soit la configuration de photodiode adoptée (Figure 81). Des photodiodes verticalement intégrées (VIP) et des photodiodes à haute densité d’intégration verticale (HDVIP) (Figure 81 (c)) ayant des qualités de passivation élevées ont été minutieusement étudiées par Kinch [100], [101]. Celui-ci a trouvé que la puissance de bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe MWIR était proportionnelle à la surface de la jonction et que son origine pouvait être attribuée de façon cohérente à la surface de la photodiode due aux fluctuations de charges dans la couche de passivation. La généralisation de ce résultat à d'autres dispositifs et la présence d'autres contributions de bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe suscite encore le débat au sein de la communauté scientifique.

Le tableau suivant résume les différentes corrélations de bruit dans les différentes structures abordées ci haut.

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Tableau 2 : Mise en évidence des différentes corrélations de bruit observées dans la littérature.

Ainsi comme nous avons pu le voir dans cette partie, différentes technologies, différents matériaux et différentes structures de photodiodes conduisent à des comportements de bruit différents.