Elaboration du premier modèle compact de photo-diode ultra-rapide, UTC (Uni-travelling carrier photodiode) pour l’intégration monolithique des technologies photoniques et nanoélectroniques

Development of the first compact model for ultra-fast UTC (Uni-travelling carrier) photodiodes towards monolithic integration of photonic and nanoelectronic technologies

• Auteur / Autrice : Djeber Guendouz
• Direction : Cristell Maneux, Patrick Mounaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 08/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Renaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Caillaud, Chhandak Mukherjee, Marina Deng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ingmar Kallfass, Olivier Rozeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits électroniques -- Calcul

Systèmes de communication sans fil

Télécommunications optiques

Photodiodes

Dispositifs optoélectroniques

Rayonnement terahertz

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Communication optique

Communication sans fil

Ondes millimétriques (mm-Waves),

Térahertz (THz)

Circuits optoélectronique intégré (COEIs)

Photodiodes à transport unipolaire (UTC-PDs)

Modélisation compacte

Conception de circuit et caractérisation RF sur plaquette

Mesures de paramètres S

Optical communication

Wireless communication

Millimeter waves (mm-Waves)

Terahertz (THz)

Optoelectronic integrated circuits (OEICs)

Uni-Traveling Carrier Photodiodes (UTC-PDs)

Compact modelling

Circuit design and on-wafer RF characterization

S-parameter measurements

Résumé

À l'ère des technologies de l'information, nous assistons à une augmentation spectaculaire du trafic Internet et mobile mondial. L'innovation dans les technologies de communication optique a contribué de manière significative à la transmission de données à haut débit. Cependant, la demande continue de bande passante nécessite la conception et la réalisation de nouveaux circuits et systèmes capables de supporter la demande croissante de trafic de données. En ce qui concerne les communications sans fil, les technologies traditionnelles de communication par radiofréquence sont confrontées à des défis importants pour répondre à l'augmentation des besoins en bande passante. Les bandes RF supérieures, notamment les ondes millimétriques (0,3-100 GHz) et les Térahertz (0,1-10 THz) offrent des largeurs de bande plus importantes et doivent être exploitées pour prendre en charge les communications sans fil ultrarapides. Les futurs systèmes de communication devront supporter le trafic de données attendu. Des récepteurs à large bande passante et à l'architecture moins complexe sont donc essentiels dans les communications optiques. Des émetteurs et des récepteurs efficaces, compacts et de faible consommation seront un élément clé de la mise en œuvre de systèmes de communication sans fil à haute performance. Les circuits optoélectroniques intégrés (COEIs) de façon monolithiques constituent une solution viable et efficace à ce défi. Dans les COEIs, les photodiodes à porteur unique (UTC-PD) représentent des composants clés qui ont été largement étudiés pour les applications optoélectroniques ultrarapides. Des performances élevées ont été rapportées, démontrant des bandes passantes de plus de 600 GHz. Comme première étape vers le développement de circuits et de systèmes OEIC, une solution unifiée de modélisation et de co-conception doit être mise en œuvre. Dans cette perspective, nous proposons un modèle évolutif, compact et multi-physique pour l'UTC-PD. Le modèle est écrit en Verilog-A et est compatible avec la méthodologie/outil/flux de conception de circuits électroniques existants. Le modèle est développé sur la base des équations de transport des porteurs de charges dans l'UTC-PD. Afin de valider le modèle, nous avons effectué des caractérisations électro-optiques sur les UTC-PDs. La caractérisation optoélectronique on-wafer a été réalisée pour la première fois dans le laboratoire IMS, grâce à la mise en œuvre d’un banc de mesure que nous avons développé durant cette thèse. La validation complète du modèle compact par rapport aux mesures effectuées sur technologies UTC-PD de trois fondeurs différents dans une large gamme de conditions de fonctionnement (polarisation et fréquence) a été réalisée. Des méthodes de de-embedding adaptées et un flux d'extraction des paramètres du modèle compact UTC-PD proposé ont été étudiés. Les comportements DC et RF, sans illumination, de ce modèle compact ont été validés par des mesures sur plaquette jusqu'à 67 GHz et 110 GHz sur trois technologies UTC-PD développées sur des substrats InP. De même, des mesures de largeur de bande, jusqu'à 67 GHz, ont été effectuées et ont également été validées par rapport à la simulation du modèle compact. Ce modèle a démontré une excellente polyvalence et une évolutivité pour les trois types d'UTC-PDs étudiées, pour plusieurs géométries et sur une large gamme de conditions de polarisation. Le cadre de modélisation proposé est complet, précis et basé sur la physique, tout en étant compatible avec l'infrastructure de conception de circuits électroniques existante.

In the current era of information technology, we are witnessing a tremendous increase in global internet and mobile traffic. Continuous innovation in optical communication technologies have contributed significantly to the enhancement of high-speed data traffic. However, the continuous demand for bandwidth requires the designing and implementation of new circuits and systems capable of supporting the rising need of data traffic. In wireless communications, traditional radio frequency communication technologies face significant challenges to meet the increase in bandwidth requirements. Hence, the higher RF bands, including millimeter wave (0.3-100 GHz) and terahertz (0.1-10 THz), which offer greater bandwidths, must be exploited to support future ultra-fast wireless communication systems to support the expected data traffic. High bandwidth receivers with less complex architectures, are hence essential in optical communications. Efficient, compact, low-power transmitters and receivers will be key elements in the implementation of high-performance wireless communication systems. A viable and efficient solution to this challenges comes in the form of monolithic optoelectronic integrated circuits (OEICs). Uni-Traveling Carrier Photodiodes (UTC-PDs) are key components for OEICs, and have been widely studied for ultrafast optoelectronic applications. High performances have been reported, demonstrating bandwidths of over 600 GHz. As a first step towards the development of OEI circuits and systems, a unified modelling and co-designing solution must be implemented. In this context, we propose a scalable, compact and multi-physics model for the UTC-PDs. The model is written in Verilog-A and is compatible with existing electronic circuit design methodology/tool/flow. The model is developed based on the physics of carrier transport in the UTC-PDs. To validate the model, we performed electro-optical characterizations on the UTC-PDs. On-wafer optoelectronic characterizations were performed at the IMS laboratory for the first time, thanks to the measurement setup that we developed during this thesis. The complete validation of the compact model has been performed against measurements under a wide range of operating conditions (bias and frequency) on UTC-PD technologies on InP substrates provided by three different foundries. We have also developed de-embedding methods for the test structures and a parameter extraction flow for the proposed UTC-PD compact model. The compact model has been validated first against DC and RF on-wafer measurements up to 67 GHz and 110 GHz without optical illumination. Next, responsivity under different optical powers and bandwidth measurements up to 67 GHz, were performed on UTC-PDs and were also validated against the compact model simulations. This model has demonstrated excellent versatility and scalability for the three types of UTC-PDs studied in this work, for several geometries and over a wide range of bias conditions. The proposed modelling framework is comprehensive, accurate and physics-based, while remaining compatible with the existing electronic circuit design infrastructure.