SOUTENANCE DE THESE
19/12/2014
VIROT Léopold 19/12/14 Ste Phelma Polygone Grenoble

SUJET : Développement de photodiodes à avalanche en Ge sur Si pour la détection faible signal et grande vitesse

Sous la direction de M.  : Laurent VIVIEN
Son directeur de recherches.
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
• ACHOUCHE Mohand (III-V lab) - examinateur
• BŒUF Frédéric (STMicroelectronics) - examinateur
• BOUCHOULE Sophie (LPN) - examinateur
• FEDELI Jean-Marc (CEA – Leti) - examinateur
• PEUCHERET Christophe (FOTON) - examinateur
• VILCOT Jean-Pierre (IEMN) – rapporteur
• VITRANT Guy (IMEP-LAHC) – rapporteur
• VIVIEN Laurent (IEF) - examinateur
 

RESUME
Afin d’adresser la problématique liée aux limitations des interconnections métalliques en termes de débits notamment, la photonique sur Silicium s’est imposée comme une technologie de choix. Bien que déjà disponible commercialement, des développements sont encore nécessaire pour adresser la demande croissante en débit des communications et ce pour chaque composant de base. D’un point de vue du récepteur, cela se traduit par des photodétecteurs toujours plus sensibles et rapides, tout en maintenant une faible consommation électrique. Le Germanium est un matériau de choix pour la photodétection en photonique sur Silicium puisqu’il est possible de l’épitaxier directement sur Silicium et qu’il offre une forte absorption aux longueurs d’onde utilisées pour les communications optiques (typ. 1300-1600nm).
Le travail de cette thèse a été basé sur les développements précédemment effectués au CEA-Leti et à l’IEF sur les photodiodes p-i-n en Ge sur Si. Une première tâche a consisté en l’amélioration de ces composants du point de vue du courant d’obscurité et de l’intégration en proposant notamment une nouvelle architecture basée sur une double hétéro-jonction Si/Ge/Si. Cette structure permet d’augmenter l’efficacité d’absorption tout en présentant de faibles courants d’obscurité et des vitesses de fonctionnement suffisantes pour adresser des applications à 40Gbits/s. De plus j’ai participé au transfert de cette technologie de la plateforme 200mm du CEA-Leti vers la plateforme 300mm de STMicroelectronics.
D’autre part, afin d’accroître encore la sensibilité des récepteurs, il est nécessaire d’utiliser des photodiodes à avalanche. J’ai donc développé cette technologie en utilisant les outils et moyens technologiques disponibles au CEA-Leti et à STMicroelectronics. Dans un premier temps, la structure SACM (Separate Absorption Charge Multiplication) a été étudiée et développée pour des photodiodes à éclairement par la surface en utilisant une approche par épitaxie avec dopage in-situ sur la plateforme 200mm du CEA-Leti. Cette structure combine les avantages du Ge pour l’absorption aux longueurs d’ondes d’intérêt et du Si pour la multiplication à faible bruit. Les premiers résultats ont permis de démontrer un gain de 35 et une bande passante de 16GHz pour une tension de -11V. Cette structure a ensuite été intégrée avec des guides d’ondes par épitaxie localisée en 200mm et une approche par dopage par implantation ionique a aussi été développée pour une intégration en 300mm.
Dans un second temps, j’ai étudié le fonctionnement en avalanche de photodiodes p-i-n en Ge sur Si. Bien que le Ge présente un fort bruit de multiplication, dégradant ainsi la sensibilité de récepteurs basé sur des photodiodes à avalanche en Ge, en utilisant une zone intrinsèque de faible largeur, il est possible de réduire le bruit de multiplication grâce à l’effet du « dead space ». Ces photodiodes p-i-n en avalanche, avec une zone intrinsèque de seulement 300nm ont permis l’obtention de gain supérieur à 150 pour des puissances inférieures à -35dBm à seulement -7V. Pour des gains modérés, compris entre 10 et 20, et des puissances optiques entre -11.25dBm et -26dBm, des diagrammes de l’œil présentant un faible bruit ont ainsi été obtenus à 10Gbits/s sans l’utilisation d’amplificateur transimpédance, ouvrant ainsi la voie vers des récepteurs rapides, à faible consommation électrique et grande sensibilité.