Les photodiodes à avalanche Hg0,4Cd0,6Te à λ = 1,55 μm. Bruit près de la résonance due au couplage spin-orbite

HAL Id: jpa-00245535

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Les photodiodes à avalanche Hg0,4Cd0,6Te à λ = 1,55

µm. Bruit près de la résonance due au couplage

spin-orbite

B. Orsal, R. Alabédra, M. Valenza, G. Lecoy, J. Meslage, C. Boisrobert

To cite this version:

Les

_photodiodes

à avalanche

_Hg0,4Cd0,6Te

à

03BB

_{= 1,55}

_03BCm.

Bruit

_près

de la

résonance

due

au

couplage

_spin-orbite

B. Orsal

_(*),

R. Alabedra

_(*),

M. Valenza

_(*),

G.

_Lecoy

_(*),

J.

_Meslage

_(**)

et C. Boisrobert

_(***)

(*)

C.E.M.

_(CNRS

UA

_391),

Université des Sciences et

_Techniques

du

_Languedoc,

34060

_Montpellier

Cedex,

France

(**)

S.A.T., 41,

rue

_Cantagrel,

75013 Paris

_Cedex,

France

(***)

C.N.E.T.

_Lannion,

route de

_Trégastel,

22301 Lannion, France

(Reçu

le 26

_septembre

_1986,

_accepté

le 23 décembre

₁₉₈₆₎

Résumé.

_{- L’objet}

de ce

_papier

est la caractérisation

_électrique

et

_optique

de trois

_{photodétecteurs}

à avalanche

_Hg1-xCdxTe

de

_technologie

_planar

_{pour des}

_compositions

x différentes mais très voisines de

_0,6

pour

adapter

ces _composants à la

_{photodétection}

à 03BB

_=1,55

_03BCm. On montrera _par

_l’analyse

du bruit en

_régime

de

_{multiplication}

la

_{grande dépendance}

du

_{rapport k}

= 03B2/03B1

des coefficients d’ionisation

_{respectivement}

des

trous et des électrons en fonction du

_rapport

_0394/Eg

ou de x. En

effet,

aux environs de x =

0,6

dans

l’Hg1-xCdxTe

on est très

_proche

de

_{l’égalité}

0394 =

Eg

pour

laquelle k

passe par un maximum. Cette

_propriété

de ce

_composé

_II-VI

fait

_{qu’il peut}

être considéré comme un _{bon candidat pour la réalisation de}

_{photodétecteurs}

à avalanche dans la fenêtre

_1,3

à

1,6

03BCm pour les télécommunications à fibres

optiques

[1, 2].

Abstract. -

This contribution is devoted to the electrical and

_optical

characterization of three

_Hg1-xCdxTe

avalanche

_photodiodes

from

_{planar technology}

with

_composition

_parameter x near 0.6. This

_{alloy composition}

leads to devices that are well suited for 1.55 03BCm detection. From the noise

_analysis

under

_{multiplication}

we

intend to show the

_{tight dependence}

of the

ratio k = 03B2/03B1 -

of the hole and electron ionization coefficients

respectively 2014

upon the ratio

_0394/Eg

or x. It so turns out that in these

_{Hg1-xCdxTe alloys}

around

x = 60

%,

0394 is very close to

Eg

therefore k reaches its maximum value. Due to this

_physical

_property, this II-VI

alloy

may be considered as a

_good

candidate among the semiconductor materials from which 1.3 to

1.6 03BCm avalanche

photodiodes

could be made and used in the fibre

optics

transmission _{systems [1,}

_2].

Classification

Physics

Abstracts

25.20D - 42.50

Introduction.

Nous

_présentons

dans cette étude une caractérisation

électrique

et

_optique

d’un essai de

_{photodétecteurs}

à avalanche

_{H&,4Cdo,6Te}

_développés

par la S.A.T.

pour de futures

applications

aux réseaux câblés par

fibres

_optiques

dans la fenêtre À

= 1,55

J.Lm.

Précédemment il a

_déjà

été

_analysé

dans la

littéra-ture

_[1]

les

_{caractéristiques}

d’un

_{photodétecteur}

Hgl _ xCdxTe

à la

_{composition stoechiométrique}

x =

0,7

pour la longueur d’onde À

= 1,3

_03BCm.

Le choix de À

_{= 1,55}

ktm

correspondant

à x =

0,6

est d’autant

_plus

_justifié

_{que pour} cette valeur la

largeur

de la bande interdite

_Eg

est sensiblement

égale

à

_Li,

écart dû au

_{couplage spin-orbite}

_[2],

d’après

des données récentes

_publiées

dans la

littéra-ture

_[3].

_Aussi,

_compte

tenu des

_propriétés

particu-lières de l’ionisation _par

_impact

_[4]

montrées dans le

cas de

_composés

III-V tels _que

_{Ga! - xAlxSb}

avec

lequel

Hgl _ xCdxTe

présente

une structure de bande

semblable,

il était

_important

de

déterminer

l’ordre de

_grandeur

du

_{rapport k}

= {3

des coefficients d’ionisations

_{respectivement}

des trous et des

élec-trons _pour trois

_{compositions x}

très

_proches

de la

résonance pour

lesquelles

on a un

_rapport

_4/Eg

légèrement

supérieur

à 1. On

_analysera

donc dans ce

papier

les

_premiers

résultats obtenus sur des

photo-diodes à avalanche

_Hgo,4Cdo,6Te

de structure

_planar,

notamment le facteur d’excès de bruit F

_(M)

et les valeurs du

_{rapport k}

_pour ces trois valeurs de

compositions x

choisies. Nous

_{présenterons}

dans le

premier

paragraphe

la

_description

du

_dispositif

ainsi

que ses

_principales

_{caractéristiques électriques}

et

optiques.

Les études

_{électrostatiques}

et électrocinéti-ques seront abordées successivement _{dans les}

para-graphes

2 et 3.

Enfin,

l’analyse

du bruit en

_régime

de

228

multiplication

suivie d’une discussion constituera le

paragraphe

4.

1.

_Description

du

_dispositif.

Le5

_dispositifs

ont été élaborés sur un substrat

Hgo,6Cdo,4Te

dont la

_technologie

de fabrication a

déjà

été

_présentée

dans la littérature

_{[5, 6]..}

Le

dopage

du substrat de

_type

_{p varie} entre 5 x

1014

et

2 x

1016 At. cm- 3.

Ces

photodiodes

à avalanche

réali-B

sées en

_{technologie planar présentent}

les

caractéristi-ques moyennes suivantes :

- courant d’obscurité : 5 nA

_lobs

50

nA ‘‘à

V = - 10 volts

- sensibilité à

03BB

_{= 1,}

55 f.Lm, ao =

0,8

A/W

à

M=1

- diamètre de la surface

_{photosensible}

cfJ

=

80 tJLm

- plage

de

_{réponse spectrale}

1 11 À

1,7

itm

- capacité

à - 10

_volts,

C 1

_pF

- bande

passante

à M =

5,

800 MHz.

L’analyse

de ces

_composants

est

_{complétée par}

une étude au M.E.B.

_qui

se résume en deux

photographies.

La

_photo

n° 1 d’un

_dispositif

test est obtenue au

M.E.B. en

_superposant

deux

images,

celle obtenue en électrons secondaires

_(surface

du

_dispositif)

et

celle obtenue en courant induit

_(tranche

du

disposi-tif).

En effet le

_dispositif

de la

_photo

n° 1 a été

_coupé

en son milieu sans

_trop

d’altérations

_majeures

_pour

la zone de

_{charge d’espace.}

On reconnaît sur cette

photo

la surface

_{photosensible}

avec son contact

circulaire et son anneau de

_garde.

En courant induit

sur la tranche du

_composant

on

_distingue

nettement

la zone de

_{charge d’espace}

et celle de l’anneau de

garde

bien en

_regard

avec le dessin

_{géométrique}

de

la surface. La

_photo

n° 2 obtenue

_uniquement

en

courant induit à un autre

_{grandissement}

sur la seule zone de

_{charge d’espace}

sur la tranche du

_dispositif

de la

_photo

n° 1 montre l’extension de la zone de

charge d’espace

pour des

polarisations

de 0 à

- 30 volts.

L’analyse

de cette extension de la zone

Photo 1. - Vue de la surface de la

photodiode

à avalanche

et de la tranche avec anneaux de

_garde

et zone de

_charge

d’espace.

[View

of APD surface with

_{guard rings}

_{and space}

_charge

région.]

]

Photo 2. - Mise _en évidence de l’extension de la

zone de

charge d’espace

par

réponse

en courant induit du M.E.B. à:

_{Vp=0; -1; -2; -3; -4; -5; -10; -20;}

- 30 volts.

[EBIC

scan _{of space}

_{charge region}

extension :

_VP

= 0 ;

- 1 ; - 2 ; - 3 ; - 4 ; - 5 ; - 10 ; - 20 ; - 30 volts.]

de

_charge

_d’espace

obtenue au- M.E.B. confirme

tout à fait les données de l’extension de cette zone de

charge

d’espace

déduites des mesures du C

_{= f (V )}

[1].

2. Etude

_{électrostatique.}

A

_partir

de mesures

_classiques

C =

f (V )

_nous

obtenons le

_profil

du

_dopage

de la

_jonction

repré-nB----/ / 2013201320132013

Fig.1.

- Profil de concentration des

senté

_figure

1. Ce

_profil

est en bon accord au moins

dans la zone n+ avec les

_{points théoriques}

calculés à

partir

des données de

_{l’implantation ionique.}

On

retrouve dans la zone P le

_dopage

du substrat de

départ.

On constate _que le

_profil

est

_graduel

avec un

gradient

de concentration de l’ordre de

_2,2

x

1019 at.cm- 4 et

une extension de la zone de

_charge

d’espace

de l’ordre de 3 à 4 J.Lm. En utilisant la

relation donnant la tension de

_{claquage Vb [7],}

à savoir :

( Eg ) 1,2 (a ) - 0,4

où

_Eg

est de l’ordre de

_0,78

eV et a

_gradient

de

concentration de l’ordre de

2,2

x

1019 Cm 4.

On trouve des tensions de

_rupture

_{Vb en}

bon

accord avec celles _que nous avons déterminées

expérimentalement.

On obtient le

_profil

du

_champ

électrique E (x )

à différentes tensions de

_polarisation

inverses en

_intégrant

_{l’équation}

de Poisson sur la zone de

_{charge d’espace.}

On constate sur la

_figure

2

que le profil du

_champ

_{électrique E (x )}

est bien celui obtenu pour une structure P.I.N. et

_qu’il

est

constant sur une

_grande

_partie

de la zone de

_charge

d’espace.

L’ordre de

_grandeur

des

_champs

électri-ques maximas est

_compris

entre

_2,3

et

_2,5

x

105 V.cm-1.

Les

_principaux

résultats _pour les trois

stoechiométries retenues sont

_reportés

dans le tableau 1.

Fig.

2. - Profil du

champ

électrique

dans la zone de

charge

d’espace.

[Electric

field

_profile

_{in the space}

_{charge region.]}

3. Etude

_{électrocinétique.}

A

_partir

des

_{caractéristiques}

directes on tire les

courants de saturation

_{1 s’}

les facteurs d’idéalité n

Tableau 1. -

230

que nous avons

_reportés

_{pour les trois}

_dispositifs

dans le tableau I. Les processus de conduction en

direct sont dus à la G.R. et à la diffusion. Les

_figures

3 et 4

_{représentent}

les

_{caractéristiques}

inverses à l’obscurité et sous éclairement à À

_{= 1,55}

ktm. Pour

les

_{caractéristiques}

inverses à l’obscurité on a

constaté _{que pour} des tensions inférieures à 100 mV

on retrouve bien l’ordre de

_grandeur

du courant

1 s

de saturation déterminé

_{précédemment}

_par

l’extrapolation

à V = 0 de la

caractéristique

directe.

Le courant de saturation

_IS

est la somme d’une

composante

de diffusion dans la

_région

neutre et

d’une

_composante

G.R. de la zone de

_déplétion,

soit :

Fig.

3. -

Caractéristiques

inverses à l’obscurité et sous

éclairement à À _{= 1,55} ktm des

_photodiodes

551 et 287.

[Reverse

bias 1 V characteristics under darkness and 1.55 itm illumination on

_samples

551 and

_287.]

- 1 1

Fig.

4. -

Caractéristiques

inverses à l’obscurité et sous

éclairement à À = 1,55 itm de la

_photodiode

646.

[Reverse

bias 1 V characteristics under darkness and 1.55 03BCm illumination of

sample

646.]

]

où

q =

1,6 X 10-19 C

ni = 5 _x

1011

cm- 3

concentration

intrinsèque

de

Hgo,4Cdo,6Te

W = 2 à 3 itm à - 10 volts déduit du C

= f (V )

A =

_1,32

x

10- 4

cm2

surface effective de la diode

Te -

10-7

s durée de vie effective dans la zone de

charge d’espace

NA -

1,6

x

1016 cm-3 concentration

du substrat P

T n ~ 5 _x

10- 8

_s durée de vie des électrons dans la

zone P

Dn

50

cm2/s

coefficient de diffusion des électrons

dans la zone P.

Les écarts constatés des valeurs de

_IS

entre les 3

composants

étudiés

_proviennent

de la variation des

paramètres Dn,

Tn, NA, Te car les 3

_dispositifs

ont été

élaborés sur 3 substrats différents de

_compositions

stoechiométriques

voisines mais différentes. Au-delà

d’une trentaine de volts

_{l’augmentation}

du courant

est due à _{l’ionisation par}

_impact.

Les

_{caractéristiques}

inverses sous éclairement à

À

_{= 1,55}

_{itm sont}

_également

_reportées

sur les

_figures

3 et 4. Là aussi au-delà de la trentaine de volts le

photocourant

est

_multiplié

et sa croissance est beau-coup

plus

rapide que celle due à

l’effet de l’extension

de la zone de

_{charge d’espace.}

Ceci est dû à la

multiplication

des trous minoritaires

_injectés

_{par le} côté N+ dans la

_jonction.

Pour

_compléter

cette

caractérisation au

_premier

ordre nous

_présentons

à

titre

_d’exemple

la

_réponse

_spectrale

des trois

photo-diodes sur la

figure

5. On atteint le maximum de

cette

_réponse

_{ao (à} V = - 1

_{volt) = 0,8}

_A/W

sur le

domaine

_spectral

de

1,3

à

1,6

03BCm. Le gap

_Eg

est

déterminé au _{moyen de la}

_longueur

d’onde de

coupure Àc.

La

_réponse

_spectrale

conserve la même

Fig.

5. -

Réponse

spectrale

des trois

_photodiodes

à avalanche à V = - 10 volts.

forme en

_régime

de

multiplication

et on détermine

par

exemple

le coefficient de

_{multiplication}

_Mp

en

faisant le

_rapport

de la

_réponse

_spectrale

à la tension V de

_polarisation

sur la

_réponse

_spectrale

obtenue à V = - 30 volts en l’absence de

_{multiplication,}

soit :

Naturellement _{pour que l’ensemble de} ces mesures

ait un sens, il faut que la

multiplication

soit uniforme

et

_qu’il

_n’y

ait donc _pas de

_{microplasmas [8].}

Les

longueurs

d’onde de _coupure

_kc,

les valeurs du _gap

Eg,

la sensibilité _{u 0 à M = 1 pour} les 3

_composants

sont

_reportées

dans le tableau 1. 4. Bruit en

_régime

de

_{multiplication.}

Dans ce

_paragraphe

nous nous intéresserons

unique-ment à la

_partie

blanche du

_spectre

de bruit. Les

méthodes de mesure de bruit font

_appel

à la F.F.T.

pour des fréquences inférieures ou

_égales

à 100 kHz

[1]

et à des

_{techniques analogiques}

_{pour des}

fréquen-ces

_supérieures

à 100 kHz. Les variations de la

densité

_spectrale

_{Si (f )}

en

A2/Hz

en fonction du

courant d’obscurité

_Iobs

sont

_{représentées figure}

6

B1&1-Fig.

6. - Variations de la densité

spectrale

en fonction du

courant d’obscurité de la

_photodiode

à avalanche 551.

[Plots

of noise

_spectral

_density

_{Si ([)}

versus dark current of avalanche

_{photodiode 551.]}

_]

,

pour la

photodiode

551. De

_façon

tout à fait

analogue pour les 3 dispositifs

on retrouve _pour des tensions inférieures à une trentaine de volts le bruit

de

_grenaille

donné _{par :}

Au-delà de cette tension le

_{champ électrique}

E est

suffisamment

_{grand pour}

_{que l’ionisation ait lieu.}

On a alors du bruit de

_{multiplication}

donné _{par :}

où M est le coefficient de

_{multiplication}

macroscopi-que du courant d’obscurité

_injecté

_I.bsinj

et _y un

exposant

qui dépend

du

matériau,

de

_{l’injection}

des

porteurs,

du

rapport k

des

_{coefficients .8}

et a et du

champ électrique.

La relation

_empirique

5 dans le cas de la

_figure

6

est bien vérifiée

_jusqu’à

des courants de 2 x

10- 6

A.

Le courant

_Iobsinj

_pour cette diode est de l’ordre de

2 x

10- 7

A. Le résultat essentiel de cette mesure est

que le

coefficient y

est

_compris

entre

_2,2

et

_{2,5 pour}

les 3

_photodiodes,

ce

qui

laisse

_présumer

que k

est

bien différent de 1. Il _{semblerait que}

_{l’injection}

non

contrôlée à l’obscurité serait due aux trous

_provenant

du côté N+ N de la diode. On a

_reporté

dans le

tableau II les différentes valeurs du coefficient _y

correspondant

aux 3 structures étudiées.

Sans rien

_changer

aux conditions de

_{polarisation,}

on éclaire les échantillons à À

_{= 1,55}

_03BCm du côté

N+. On considère en

_{première approximation}

_que

les bruits du

_photocourant

et du courant d’obscurité

ne sont _{pas corrélés.}

Ainsi tant _que la

_{multiplication n’apparaît pas, la}

densité

_spectrale

en fonction du courant total

Itot

s’écrit :

Si tot (/) = 2 qItot = 2 q(Iobs + Iph) .

(6)

En

_régime

de

_{multiplication}

on mesurera le bruit dû au courant d’obscurité

_plus

celui dû au

_{photocourant,}

tous les deux

_multipliés

avec des coefficients de

multiplication

différents.

_Mais,

_ayapt

_déjà

déterminé

expérimentalement

le bruit à l’obscurité on détermi-nera le bruit dû au seul

_photocourant

en retranchant

au bruit total du

_dispositif

le bruit d’obscurité. On

aura donc :

avec

Ce

_qui

donne en fonction du courant total

_{1ph :}

Donc,

en

_{traçant Si ph (/)}

=

232

W _phinj ici

Fig.

7. - Variations de la densité

spectrale Siph (f)

en

fonction du

_photocourant

_{1 ph}

des 3

_{photodétecteurs}

à avalanche.

[Plots

of noise

_spectral

_{density Siph (f)}

under illumination

versus

_photocurrent

_{I ph}

of the three avalanche

photo-diodes.]

]

coefficient _y avec une

_précision

de l’ordre de 5 à

10 %. On a

_représenté

sur la

_{figure 7}

_{Si ph (/) =}

f (1ph )

pour les 3

photodétecteurs

étudiés. Les

valeurs des coefficients _{y à} l’obscurité et sous

éclairement sont

_reportées

dans le tableau II. A

partir

de ces résultats

_{expérimentaux}

on

_peut

écrire

la densité

_spectrale

relative au

_photocourant

sous la forme :

où

_{F (MP,, )}

est le facteur d’excès de bruit

_{qui dépend}

du

_{rapport k}

selon la relation de Mc

_Intyre

_{[9] :}

dans le cas

_{d’une.injection pure de}

trous. En effet

comme les

_{photodétecteurs}

sont éclairés du côté

N+ à À

_{= 1,55}

_itm et

_puisque

le coefficient

d’absorp-tion a à cette

_longueur

d’onde est de l’ordre de

2 x

104 cm-1

1 alors la

_{multiplication}

est

essentielle-ment _{initiée par les} trous créés dans la zone

N+.

On a

_reporté

sur la

_figure

8 les valeurs de

F (Mph )

en fonction de

_Mph

pour les trois

photodétec-teurs. A l’aide de la relation

₍₁₀₎

on détermine l’ordre de

_grandeur

du

_{rapport k}

dont les valeurs

sont

_reportées

dans le tableau II.

Fig.

8. - Variations du facteur d’excès de bruit

F (Mph)

en

fonction du facteur de

_{multiplication}

_Mph

des trois

photo-détecteurs à avalanche.

[Plots

of excess noise factor

_F(MPh)

versus

_{multiplication}

factor

_Mph

of the three avalanche

_{photodetectors.]}

5. Discussion.

On _remarque en

_analysant

les résultats du tableau II

que le

coefficient

d’excès de bruit xB = _{y - 2} varie avec le

_rapport

_d/Eg.

On a ainsi pour

_{11/ Eg}

=

1,02

un xB

= 0,3,

pour

_{11/ Eg}

~ 1,05 un xB =

0,45

et

pour

0394/Eg

=1,08

on a _{un xB} =

0,65.

Ces résultats

obtenus sur les

_{3 photodétecteurs}

à avalanche

Hgl -

xCdxTe

de

_{compositions stoechiométriques}

très

proches

et _pour des

_{champs électriques}

très voisins

montrent à l’évidence la très

_grande

influence de la

structure de bande de

_Hg1-xCdxTe

au

_voisinage

de d =

Eg

sur le

_rapport

k. Ce résultat est tout à fait

comparable

à ceux -obtenus sur le

Ga1-xAlxSb [4].

Le

_{rapport k}

diminue

_Irès

_{rapidement quand}

on

s’écarte de la condition

_0394/Eg

= 1. Dans cette étude

le

_{rapport k}

_{passe de} 30 à 4

_quand

_AIE,

varie de

1,02

à

_1,08.

Il ressort

_également

des mesures

de k

réalisées dans les mêmes conditions

_[1]

_pour un

x =

_0,7

sur ce même

_type

de

_{photodétecteur,}

_que

toute la « résonance » due au

couplage spin-orbit

se

situe pour

l’Hg1-xCdxTe

sur la

_plage

de x de

0,55

à

0,7

avec un maximum

_{probablement,}

dans l’état

actuel de nos travaux

_théoriques

et

_{expérimentaux}

[6, 10],

aux environs de x =

0,6.

Des _mesures sont en cours sur ces

_composants

_{Hgl -}

xCdxTe pour des

compositions

de x allant de

0,7

(A

= 1,3

03BCm)

à

0,44

(A

= 2,2

03BCm)

afin de déterminer la variation de k en

Tableau II. -

Principales

caractéristiques

en

_régimes

de

_{multiplication.}

[Main

parameters

of

_{multiplication.]}

6. Conclusion.

Ces

_premiers

résultats de la

_dépendance

de

k = 03B2 03B1

en fonction de la

_{composition x}

_{pour la réalisation de}

photodiodes

à avalanche

_Hg1-xCdxTe

sont très

encourageants

pour des x

compris

entre

_0,5

à

0,7

pour la

photodétection

à avalanche dans les fenêtres

1,3

et

_1,6

_)JLm d’autant

_{plus que}

ces

_dispositifs

sont

réalisés en

_{technologie planar}

évitant ainsi tous les

problèmes

liés à la

_passivation

de la

_technologie

mesa.

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