Caractérisation en bruit des photodiodes P.I.N. Hg1-x Cdx Te à λ = 1,3 μm

HAL Id: jpa-00245174

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Submitted on 1 Jan 1984

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Caractérisation en bruit des photodiodes P.I.N. Hg1-x

Cdx Te à λ = 1,3 µm

B. Orsal, R. Alabédra, C. Maille, C. Boisrobert, D. Morvan, J. Meslage, G.

Pichard

To cite this version:

Caractérisation

en

bruit

des

photodiodes

P.I.N.

Hg1-x Cdx

Te

à 03BB

=

1,3 03BCm

B. Orsal

_(*),

R. Alabedra

_(*),

C. Maille

_(*),

C. Boisrobert

_(**),

D. Morvan

_(**),

J.

_Meslage

_(***)

et

G. Pichard

(***)

(*) C.E.M., Université des Sciences et _Techniques du

_Languedoc,

34060

_Montpellier

_Cedex, France (**) CNET-I.C.M.-TOM, B.P. _40, Lannion, 22301 _Lannion, France

(***) Société

_Anonyme

de Télécommunication, 41, rue

_Cantagrel,

75624 _Paris, France (Reçu le 3 juin 1983, révisé et _accepté le 3 octobre 1983 )

Résumé. 2014

L’objet

de ce travail est la caractérisation des

_{photodétecteurs}

P.I.N. à

_Hg1-xCdxTe

_{par des} mesures

de bruit. Ces

_{photodétecteurs}

sont réalisés pour fonctionner à la

_longueur

d’onde 03BB = 1,3

03BCm pour les télécom-munications par fibres

optiques.

On montrera pour deux

générations

de _composants de

_technologie

de contact différente que le bruit en _1/f à faible

_polarisation

inverse à l’obscurité est dû au courant G.R. de la diode. Les valeurs de la constante

_empirique

« 03B1 » de Hooge déterminées à

_partir

des mesures de bruit sont

_comprises

entre 10-4 et

10-3,

ce

_qui

montre _{que les}

_dispositifs

sont _homogènes et

_qu’il

_n’y a _{pas de} différence

_marquée

entre les 2 techno-logies. Par contre,

l’analyse

du bruit du

_photocourant

et la détermination de la _fréquence de

_{coupure fc}

entre le bruit de Grenaille et le bruit en _1/f montrent que la qualité des contacts des

_photodiodes

de 2e _génération est

meilleure que celle obtenue sur les diodes de 1re _{génération.}

Abstract. 2014

The purpose of this paper is the characterization of P.I.N.

Hg1-xCdxTe photodiodes

at 03BB = 1.3 _03BCm

by

measurements of

_1/f

noise. The devices are manufactured for

_optical

transmission systems at 03BB = 1.3 03BCm. 1/f noise measurements are

_presented

for two _generations of

_photodiodes

of different contact

_technology.

At

obscurity

the current is determined

_by

_{generation-recombination}

(G.R.) at low reverse biased. The _1/f noise is interpreted

by Kleinpenning’s

model. The values of

_Hooge’s

constant deduced of noise measurements are

com-prised

between 10-4 and 10-3. Those results show that devices are

_homogeneous

and there is no difference between

the two _{technologies.} On the other hand, the noise

_{of photocurrent}

and the values of the corner

_{frequency fc}

between

of white noise and _1/f noise show that the _quality of contacts of second _generation devices is better that the first

generation.

Classification

Physics Abstracts 25.20D - 42.50

1. Introduction.

Le

_problème

des

_{photodétecteurs}

à avalanche à la

longueur

d’onde à. = 1,3 _{ym pour} les télécommunica-tions _par fibres

_optiques

est lié d’une part au courant

d’obscurité et d’autre

_part

au _processus de

multipli-cation des

_porteurs

dans la

_région

de fort

_champ

électrique.

Les

_{photodétecteurs}

à avalanche élaborés dans le

_germanium

_présentent

un bruit de

multiplica-tion

_important,

car en effet

_[1]

le

_{coefficient fi}

d’ioni-sation des trous est à

_peine

deux fois

_{plus grand}

_que celui a des électrons. Par contre, dans un matériau

tel _que

_Hg1-xCdxTe,

on a un

_{rapport k}

=

Ploc

de l’ordre de 10 _{pour x rr}

0,73

[2, 3].

La fabrication d’une structure à avalanche

_[3]

dans

ce _type de matériau s’avère délicate. Aussi la S.A.T. a réalisé

[4]

une

_photodiode

P.I.N. comme

_composant

intermédiaire _pour la mise au

_point

d’un

photodé-tecteur à avalanche. La caractérisation

_électrique

_que nous

_présentons

_porte sur des _composants dits de

première génération

et de seconde

_{génération.}

Les

caractéristiques

au

_premier

ordre

_qui

sont les courbes

I

_{= f (V)}

à l’obscurité et sous éclairement ainsi _que les C

_{= f (V)}

sont à _peu

_{près identiques}

bien

_qu’entre

ces deux

_{générations}

de _composants la

_technologie

des

contacts ait

_changée.

Les mesures au second

ordre,

c’est-à-dire les mesures de bruit sous éclairement

montrent _que la

_fréquence

de

_{coupure f,,, qui sépare}

le bruit de

_grenaille

2

_q1

de celui en

1/f

est

_plus

basse

pour les composants de deuxième

génération indiquant

par là même l’amélioration de la

technologie

des contacts.

2.

_Description

du

_dispositif.

Les

_photodiodes

P.I.N. sont

_fabriquées

_{par la} S.A.T.

Leurs

_{principales caractéristiques}

sont

_{[4] :}

-

courant d’obscurité à - 10 V : 1 nA - sensibilité à

= 1,3

gm

: 0,8 A/W

64

Fig. 1. - Structure de la

photodiode

HgCdTe. [HgCdTe

photodiode

structure.]

- bande

passante : 850 MHz

- diamètre de la

zone active : 80 _film

- domaine de sensibilité

spectrale :

0,9

à

_1,3

_film - tension de fonctionnement

Vp : -

10 V -

capacité

totale à

_Vp

: 1,2

pF.

La structure de ces

_photodiodes

P.I.N. est

repré-sentée sur la

figure

1. Cette structure

_[4]

a été déduite des

mesures de

_capacités

en fonction de la

_{polarisation,}

de la sensibilité en fonction de la

longueur

d’onde et

de la

_{polarisation,}

et du courant induit _par faisceau d’électrons.

Fig. 2. -

Caractéristiques

7 =

f (V)

directes à l’obscurité.

[Forward

characteristics 7 versus V at _obscurity.]

3. Mesures au

_premier

ordre.

Les mesures de bruit n’ont un sens _que si les

_propriétés

au

_premier

ordre sont stables et bien connues. Aussi la

figure

2

_représente

les

_{caractéristiques 1= f (V)}

en direct à l’obscurité des diodes 01

_{( 1 re}

_{génération)}

et 02

_(2e

_{génération).}

De

_l’analyse

de ces courbes en

semi-log

on constate _que ce sont des

_phénomènes

de G.R. dans la zone de

_{charge d’espace qui}

sont

prépondé-rants. En effet, le facteur d’idéalité n est de 1,55 pour

la diode 01 et de

_1,6

_pour la diode 02. Les résistances séries déduites de ces deux

caractéristiques

sont

res-pectivement

de l’ordre de 300 Q et de 100 Q. La relation donnant la valeur de la

_composante

du courant due à la G.R. dans la zone de

_{charge d’espace}

_[7]

est :

où q

est la

_charge

de l’électron

W la

_longueur

de la zone de

charge

d’espace

déduite du

C = f(V)

A surface de la diode

ni densité

intrinsèque

à T = 300 K pour un

Eg

=

0,94

eV

i durée de vie des

_porteurs

mi-noritaires

La valeur calculée est de

3,1

x

10-10

_A,

_qui

est en bon accord avec les valeurs

_{expérimentales}

déduites

par

extrapolation

des

caractéristiques

directes à 0 V

qui

sont

_comprises

entre

_2,5

x

10-10

A et

3,2

x

10-10

A.

_Egalement

_{les valeurs de} cette

carac-de millivolts

_{(Fig. 3),}

sont

_comprises

entre

10-10

A et

3 x 10-1°

A. C’est

_l’analyse

de cette

_composante

du

courant G.R. et de la

_{caractéristique}

inverse I =

f(V)

pour des tensions de

polarisation

telles que

-

q V/k T

6,

c’est-à-dire pour des tensions

com-prises

entre 0 et 250

mV,

qui

va nous

_permettre

d’étu-dier le bruit en

_11f

à l’obscurité

d’après

le modèle de

Kleinpenning

[5].

De ce

_modèle,

on calculera la

constante « a » de

_Hooge

_[6]

décrivant le bruit en

_{1/f .}

Le résultat

_principal

de ce modèle

_empirique

est _que la

qualité

du

_composant

est d’autant

_plus

satisfaisante

que « a » est

_{plus petit.}

On a

reporté

sur la

figure

4

respectivement

les

_{caractéristiques}

inverses à l’obscu-rité et sous

éclairement,

_jusqu’à

une

_polarisation

de 30

V,

des

_photodiodes

01 et 02. On _remarquera,

_qu’à

Fig.

3. -

Caractéristiques

inverses 1= _{f (V)} à l’obscurité. [Reverse characteristics 7 versus V at

_obscurity.]

Fig.

4. -

Caractéristiques inverses 7 =

f (V)

à l’obscurité

et sous éclairement.

[Reverse

characteristics 7 = f (V) under

obscurity

and

illumination

_conditions.]

entre le

_photocourant

et le courant d’obscurité est de l’ordre de 70 et _que les

_{caractéristiques}

sont _pour les deux

_composants

très voisines l’une de l’autre.

4. Bruit en

_{1/f des}

diodes

_polarisées

en inverse à

l’obscu-rité [5].

Dans le calcul du bruit en

_1/f

nous _{supposerons que} le

courant dans la

_jonction

est essentiellement dû à la G.R. tant _{que -}

_qV/kT

6 comme semble

_l’indiquer

l’étude au

premier

ordre. Dans ce cas, la densité

spectrale

S

_(f)

est _{donnée par la relation}

[5]

où 7 est le courant de

_polarisation

de la diode. De cette

relation et des mesures de bruit on tire la valeur de a

qui

est un critère

_{d’homogénéité}

du

_dispositif

en consi-dérant une durée de vie des _porteurs i de l’ordre de

1,2

x

10-’

s. La valeur de a est _{donnée par :}

On a

_reporté

sur la

figure

5,

_pour une

_fréquence

de 3

_Hz,

la variation de

_Si(/)

en fonction du courant de

polarisation

des diodes. On constate _que

_Si(/)

varie

Fig. 5. - Variation de

S;( f )

en fonction du courant d’obscu-rité.

66

bien en

_puissance

de 2 du courant. On tire de ces données

_{expérimentales}

des valeurs de a

comprises

entre

10-4

et 10 -

3.

Ces valeurs sont tout _{à fait}

compa-rables à celles trouvées _par

_{Kleinpenning [5],}

elles

montrent _que les diodes ont une bonne

homogé-néité

_quelle

_que soit leur

_technologie.

La

_figure

6

représente

les

_spectres

_{S; ( f )}

en

_fréquence

des diodes 01

et 02 à l’obscurité. On constate _que les

_fréquences

de

coupure sont de l’ordre de

102

à

103

Hz. On retrouve

dans la

_partie

blanche du _spectre la valeur du bruit de

gre.naille

2

_qlo

du courant de

_{polarisation.}

5. Bruit en

_1/f

des

_photodiodes

sous éclairement à 03BB =

1,3

_Fm.

A

l’éclairement,

nous _supposons en

_première

approxi-mation

_{qu’il n’y}

a _pas de corrélation entre le courant

d’obscurité et le

_{photocourant.}

Dans le cas des deux

photodiodes

la valeur du

_photocourant

est de

1,2

x

10-’

A c’est-à-dire 70 fois

_{plus grand}

_que le

courant d’obscurité à la tension nominale de - 10 V.

La

_figure

7

_représente

les

_spectres

_Si(f)

des deux diodes. On constate _que l’on retrouve

_également

dans

Fig. 6. -

Spectre en

_fréquence

à l’obscurité.

[Noise spectra at _obscurity.]

Fig. 7. -

Spectre en

_fréquence

à Â = 1,3

du courant total. Par contre, la

fréquence

de _coupure

fc

déterminée

_{expérimentalement}

est de _{100 Hz pour} la diode 02 et de

1,2

kHz _pour la diode 01. Ces résultats

expérimentaux

sont

_équivalents

à ceux de Tobin

_[7].

On

_interprète

ce

_comportement

différent des _spectres en

_1/f

du

_photocourant

comme étant l’influence de la

_qualité

des contacts. En

effet,

le bruit en

_1/f

lié au

courant G.R.

₍₇

1,5

x

10-10 A)

selon le modèle

de

_{Kleinpenning [5]}

est

_{prépondérant}

devant celui des contacts. Par contre, à

l’éclairement, compte

tenu

de la valeur du

_photocourant

_(1,2

x 10-’

_A)

l’in-fluence des contacts n’est

_{plus négligeable.}

Si le contact est

bon,

il n’introduit en

_principe

_{que très peu} de bruit

en

_{1/f ,}

ce

_qui

est le cas de la

photodiode

02

qui

pré-C’est le _composant de deuxième

_génération

dont la

technologie

des contacts a été

_changée

_par

_rapport

à la

_première.

6. Conclusion.

Le résultat essentiel de cette caractérisation par des

mesures de bruit basses

_fréquences

est _que la

_qualité

des

_photodiodes

P.I.N. est suffisante pour

envisager

de les transformer en

_{photodétecteurs}

à avalanche

qui

font

_appel

à des courants

_{plus importants}

_compte

tenu du

_gain

interne associé au _{processus de} l’ionisa-tion _par

_impact.

Bibliographie [1] ALABEDRA, R., ORSAL, B., DECKER, M., PEREMARTI, C.,

Bruit dans les _{photodétecteurs} à avalanche au

ger-manium à 03BB = 1,3 _{03BCm. OPTO} 82, ESI Publications,

pp. 134-137, novembre 1982.

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[3] MESLAGE, J., PICHARD, G., FRAGNON, M., ROGER, M.,

NGUYEN DUY, T., BOISROBERT, C., MORVAN, D.,

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_paraître).

[4] PICHARD, G., MESLAGE, J., FRAGNON, P., RAYMOND, F.,

Annales des Télécom. _{(à paraître).}

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[7] TOBIN, S. P., IWASA, S., TREDWELL, T. J.,

1/f

noise in