Conception, fabrication et caractérisation de photodiodes à avalanche InSb

par Johan Abautret

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Philippe Christol.


  • Résumé

    Cette thèse, réalisée à l'IES en partenariat avec la société SOFRADIR et le CEA-LETI, avait pour objectif d'évaluer les potentialités du matériau InSb pour la réalisation de photodiodes à avalanche (APD) moyen infrarouge (MWIR). Par l'étude du design (simulations TCAD), de la fabrication technologique en configuration MESA (voie humide, voie sèche, passivation), puis par la caractérisation électrique des dispositifs, ce travail de thèse s'est attaché à explorer l'ensemble des éléments nécessaires au développement de cette filière de photodétecteurs. Les photodiodes InSb fabriquées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ont présenté des densités de courant d'obscurité sur des monoléments de 10 à 30nA/cm² à -50mV et à 77K. Ces performances positionnent ces photodiodes à l'état de l'art pour la filière épi-InSb et souligne ainsi l'excellente qualité cristalline des couches épitaxiées. Les premières APDs InSb ont ensuite été épitaxiées et caractérisées. Avec une pure injection d'électrons nous avons observé une augmentation exponentielle du gain dans l'InSb, signature d'une multiplication initiée exclusivement par les électrons. Un premier gain de 3 à -4V a été mesuré. Cette asymétrie du processus d'ionisation par impact indiquerait la possibilité d'obtenir du gain sans excès de bruit, propriété indispensable pour les applications d'imagerie faible flux visée. A ce stade de l'étude, les performances des APDs InSb sont limitées par un dopage résiduel trop élevé dans les zones de multiplications réalisées, entrainant une forte contribution du courant tunnel bande à bande. Néanmoins, ces travaux fournissent tous les éléments d'orientations nécessaires au développement des APDs InSb dont le point clé est définitivement l'obtention d'un faible dopage résiduel dans la zone de multiplication.

  • Titre traduit

    Design, fabrication and characterization of InSb avalanche photodiode


  • Résumé

    This thesis realized at the IES, with the collaboration of SOFRADIR and the CEA-LETI, had for objective the potential evaluation of the InSb material for the realization of midwave infrared (MWIR) avalanche photodiodes (APD). Studying the design (TCAD modeling), the MESA technological fabrication (wet etching, dry etching, passivation) and analyzing the electrical characterizations of devices fabricated, this work has investigated all the scientific elements necessary for the development of this photodetector technology. The MBE (Molecular Beam Epitaxy) grow InSb photodiodes have shown monopixel dark current density from 10 to 30nA/cm² at -50mV and 77K. These performances are at the state of the art for InSb epi-diodes and highlight the excellent crystal quality of the epitaxial layers. The first InSb APDs were grown and characterized. With a pure electron injection, we have observed an exponential increase of the gain, signature of a single carrier multiplication exclusively initiated by the electrons. A gain value of 3 was measured at -4V. This asymmetrical aspect of the impact ionization process would indicate the possibility to obtain a gain without excess noise. This is fundamental for the intended imaging applications. At this stage, InSb APD performances are limited by a too high residual doping level, resulting in a strong band to band tunneling current. Nevertheless, this work provides all the milestones needed for the InSb APD development where the key point is undoubtedly the getting of low residual doping level in the multiplication layer.

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