62 pp. 62-72 D6tecteurs HgCdTe pour t616communication par fibres optiques * M. ROYER ** T. BROSSAT ** P. FRAGNON ** J. MESLAGE ** G. PICHARD ** T. N'GUYEN DUY** Analyse Cet article traite des ~tudes et r~alisations de ddtec- teurs HgCdTe pour tOl$communications par fibres optiques, fonctionnant d 1,3 $m et gt 1,55 ~zm en mode PIN ou avalanche. On ddcrit les propri~t~s gdn~rales et spdcifiques de l'alliage HgCdTe dans la gamme de composition utile, les mdthodes de prdparation et de caract~risation du mat~riau puis les technologies uti- lisdes. Ensuite sont dOcrites les performances des diff,- rents types de diodes, les tests de fiabilitd, les applica- tions et perspectives. Mots elds : Photoddtecteur, Tdldcommunication optique, Cadmium mercure tellurure mixte, Infrarouge, Semiconducteur, Compos6 ternaire, Photodiode, Diode couche intrins~que, Diode avalanche, Fabrication, Caractdrisatiort. Sommaire Introduction. I. Propridtds g~n~rales. II. Elaboration et caractdrisation du mat$riau. III. Technologies mises en aeuvre pour la rdalisation des composants. IV. Caractdrisation des d$tecteurs. V. Applications et perspectives. INTRODUCTION HgCdTe DETECTORS FOR FIBRE OPTIC TELECOMMUNICATIONS Abstract This paper deal with the studies and manufacture of HgCdTe detectors for fibre optics telecommunica- tions, operating at 1,3 ~m and 1,55 ~m either with the PIN structure or with the avalanche mode. Electronic properties of the HgCdTe alloy with the appropriate composition range value, crystal growth methods, means of characterization of the materiel and process technology are described. Performances of the different types of diodes are reported, together with reliability tests, applications and prospects. Key words : Photodetector, Optical communication, Cadmium mercury telluride, Infrared, Semiconductor, Ternary compound, Photodiode, PIN diode, Avalanche diode, Process technology, Caracterization. Depuis prds de deux ddcennies la SAT 6tudie et ddveloppe des composants infrarouge h diffdrentes longueurs d'onde. Ainsi ont 6t6 commercialisds sue- cessivement des ddtecteurs : --photovoltaiques en tellurure de mercure cad- mium, fonctionnant dans les gammes 8 ~t 16 g.m, puis 3-5 tzm; --~t structure MIS OU multi-616ments (barrettes lindaires et matrices bidimensionnelles). L'apparition de systdmes de tdldcommunication fonctionnant b. 1,3 et 1,55 [zm a conduit la SAX ~t 6tudier et proposer des composants adaptds b. cette nouvelle gamme spectrale. Les diffdrentes liaisons envisagdes requidrent des rdcepteurs optiques dont les caractdristiques essentielles sont les suivantes : -- grande sensibilit6 spectrale, -- faible courant d'obscuritd, * Etude soutenue par contrat DAII n ~ 81 35 275. ** Socidt6 anonyme des t616communications, 41, rue Cantagrel, 75013 Paris. ANN. T~L~COMMtrN., 38, n ~ 1-2, 1983 1/11
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62 pp. 62-72
D6tecteurs HgCdTe pour t616communication par fibres optiques *
M. R O Y E R **
T. B R O S S A T **
P. F R A G N O N **
J. M E S L A G E **
G . P I C H A R D **
T. N ' G U Y E N D U Y * *
Analyse
Cet article traite des ~tudes et r~alisations de ddtec- teurs HgCdTe pour tOl$communications par fibres optiques, fonctionnant d 1,3 $m et gt 1,55 ~zm en mode PIN ou avalanche. On ddcrit les propri~t~s gdn~rales et spdcifiques de l'alliage HgCdTe dans la gamme de composition utile, les mdthodes de prdparation et de caract~risation du mat~riau puis les technologies uti- lisdes. Ensuite sont dOcrites les performances des diff,- rents types de diodes, les tests de fiabilitd, les applica- tions et perspectives.
I I I . Technologies mises en aeuvre pour la rdalisation des composants.
IV. Caractdrisation des d$tecteurs.
V. Applications et perspectives.
I N T R O D U C T I O N
H g C d T e D E T E C T O R S F O R F I B R E O P T I C T E L E C O M M U N I C A T I O N S
Abstract
This paper deal with the studies and manufacture o f HgCdTe detectors for fibre optics telecommunica- tions, operating at 1,3 ~m and 1,55 ~m either with the PIN structure or with the avalanche mode. Electronic properties of the HgCdTe alloy with the appropriate composition range value, crystal growth methods, means of characterization of the materiel and process technology are described. Performances of the different types of diodes are reported, together with reliability tests, applications and prospects.
D e p u i s prds de deux ddcennies la SAT 6tudie et ddve loppe des c o m p o s a n t s i n f r a rouge h diffdrentes l ongueur s d ' o n d e . A ins i on t 6t6 commerc ia l i sds sue- cess ivement des dd tec teurs :
- - p h o t o v o l t a i q u e s en t e l lu ru re de m e r c u r e cad- m i u m , f o n c t i o n n a n t dans les g a m m e s 8 ~t 16 g.m, puis 3-5 t z m ;
- - ~ t s t ruc tu re MIS OU mult i-616ments (bar re t tes l indaires et ma t r i ce s b id imens ionne l l e s ) .
L ' a p p a r i t i o n de sys tdmes de t d l d c o m m u n i c a t i o n f o n c t i o n n a n t b. 1,3 et 1,55 [zm a c o n d u i t la SAX ~t 6 tudier et p r o p o s e r des c o m p o s a n t s a d a p t d s b. cet te nouve l le g a m m e spect ra le . Les diffdrentes l ia i sons envisagdes r equ id ren t des rdcepteurs o p t i q u e s d o n t les caractdrist iques essent ie l les sont les su ivantes :
- - g r a n d e sensibi l i t6 spec t ra le ,
- - fa ib le c o u r a n t d ' o b s c u r i t d ,
* Etude soutenue par contrat DAII n ~ 81 35 275. ** Socidt6 anonyme des t616communications, 41, rue Cantagrel, 75013 Paris.
ANN. T~L~COMMtrN., 38, n ~ 1-2, 1983 1/11
M. ROYER. -- DI~TECTEURS HgCdTe P O U R T E L E C O M M U N I C A T I O N P A R FIBRES O P T I Q U E S 63
- - capacit6 r6duite,
- - large bande passante.
De plus le d6tecteur doit satisfaire d'autres exi- gences non moins s6v+res :
- - fiabilit6,
- - lin6arit6 du courant d'6clairement,
- - f o n c t i o n n e m e n t optimal dans la gamme de temp6rature d'utilisation,
- - faible coflt.
L'exp6rience de la SAW dans la maltrise des tech- niques de croissance cristalline des alliages HgCdTe, ainsi que celles des technologies de r6alisation de dispositifs a permis de commercialiser d~s 1982 des photodiodes PIN HgCdTe [1]. D'autres structures, photodiode & avalanche et structure MIS sont l 'objet d'~tudes en tours.
Cet article d6crit l 'ensemble des travaux r6alis6s depuis 1980.
I . P R O P R I I ~ T I ~ S G I ~ N I ~ R A L E S D E S A L L I A G E S Hgt_~CdxTe [1]
FIG. 1. - - Variation de la bande interdite de l'alliage Hgl_xCdxTe avee x.
Dependence of the energy gap of the Hgx_xCdxTe alloy versus x.
1.1. P r o p r i 6 t 6 s 61ec tron iques .
Les compos6s binaires HgTe et CdTe cristallisent tous deux dans la structure blende de zinc avec des param6tres de maille tr6s proches (A a/a = 0,3 %). Miscibles en routes proport ions, ils forment une suite continue d'alliages Hgl_~,CdxTe dont les propri6t6s 61ectriques vont d ' un caract6re semi-m6tallique pour le HgTe (E~ = - - 0,115 eV & 300 K) vers un caract6re semiconducteur pour le CdTe (Eg = + 1,529 eV
300 K), Eg 6tant l '6nergie de bandes interdites. La largeur de bande interdite varie avec la fraction
molaire x de CdTe dans la solution solide Hgl _xCdxTe comme le montre la figure 1. La composition de l'alliage peut done ~tre ajust6e pour couvrir tout le domaine spectral depuis 0,8 tzm.
Dans le cas pr6cis d 'une d6tection & 1,3 ~tm, la composition de l 'alliage est proche de x = 0,70 et pour ~ = 1,55 ~m, la valeur est x = 0,62.
Les variations de E~ avec la temp6rature ont des signes oppos6s pour CdTe et HgTe ( d E J d T = + 0,6 meV/K pour HgTe et d E J d T -- 0,25 meV/K pour CdTe).
L'intersection des courbes Eg(x) pour des temp6- ratures respectivement de 0 K et 300 K correspond ~, une valeur de x tr~s voisine de celIe utilis6e. La faible variation de la bande interdite de l'alliage avec la temperature dans cette gamme de composition, a aussi 6t6 mesur~e par 61ectror6flexion : entre 35 K et 300 K la valeur de Eg reste sensiblement la m~me (2.10 -s eV/K) [3].
Enfin, la valeur relativement faible de la masse effective de la bande de conduct ion (mdmo ,-~ 0,08
lorsque x = 0,7) conduit & des concentrat ions intrin- s~ques de l 'ordre de 10 l~ cm-3 & tempdrature ambiante
1.2. Propri6t6s optiques.
L 'absorpt ion optique des semiconducteurs de cette classe d'alliages se calcule & part i r de la structure de bande :
___ e 2 ~3 p2(1 __ E j h v ) t l 2 / 4 n ~ Zo,
avec n indice optique,
Zo permittivit6,
h v 6nergie des photons,
oh P e s t l'616ment de matrice de la th6orie k.p. (mod61e de Kane) et dont la variat ion est indiqu~e par la figure 2 pour diff6rentes valeurs de Eg.
La mesure du coefficient d 'absorpt ion se fait A part ir de celle du facteur de transmission sur de tr~s faibles 6paisseurs. Dans notre cas, il a 6t6 possible, pour une plaque de HgCdTe de type P (dopage 1016 cm-3) , de diam~tre ~ 15 m m et d'6paisseur W ----- 580 Fro, de la poIir jusqu'& 40 izm d'6paisseur et ensuite de l 'a t taquer chimiquement jusqu'~t 0,7 Vart d'6paisseur.
La figure 3 repr~sente les courbes de transmission interne du mat6riau massif pour diff6rentes ~paisseurs. Ces courbes ont 6t6 normalis6es & 100 %, en s'affran- chissant, par le calcul des pertes par r6flexion. On peut noter qu'il faut r6duire consid6rablement l'~pais- seur du mat6riau pour observer une transmission
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64 M. ROYER. - DI~.TECTEURS HgCdTe POUR TI~LIS.COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES
tern-l) t ' I I I I I I
10 4 _ i ~ ~ ~
10 3 ! {eV) /
10 2 i t 1,1 ,2 1,3 1,4
Xpm
FIG. 2. - - Coefficient d'absorption en fonction de la longueur d'onde pour diff6rentes valeurs de Eg.
Absorption coefficient versus wavelength for different Eg values.
T (~
lOO
50
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 X(~m)
FIG. 3. - - Courbes de transmission interne du Hgo,aaCd0,TTe massif pour diverses 6paisseurs.
Internal transmission o f Hgo.aCdo.TTe versus wavelength for different thicknesses.
non nulle vers les faibles longueurs d ' onde ; ce qui signifie que le coefficient d 'absorpt ion est 6lev6.
A partir de ces courbes et en particulier pour les faibles 6paisseurs, il est possible de calculer le coef- ficient d 'absorpt ion.
Le facteur de transmission T peut s'6crire :
( 1 - - R ) 2 e - a w T =
1 - - R 2 e - 2 u w '
( n - 1) 2
(n -b 1) avec : R -- - - le facteur de r6flexion,
n l 'indice du mat6riau,
0~ le coefficient d 'absorption,
w l'6paisseur du mat6riau.
Pour calculer, il suffit de r6soudre l '6quation suivante :
T e -2=w -[- 9 e -=~' - - 16 T : 0.
Les trois eourbes correspondant h w ----- 4 [zm, 1,3 ~tm et 0,7 Ezm, donnent rigoureusement les m~mes valeurs du coefficient d 'absorpt ion. Sont repr6sent6es sur la figure 4, les valeurs th6oriques et exp6rimentales de ~ en fonction de la longueur d'onde.
Absorption coefficient o f Hgo.aCdo.TTe versus wavelength.
Sur la courbe th6orique, les transitions directes permises sont caract6ris6es par une brusque augmen- tation du coefficient d 'absorpt ion d6bouchant sur un coude ~t un niveau d 'absorpt ion d'environ 10 + c m - 1.
Les valeurs exp6rimentales font apparattre un front d 'absorpt ion dont la variation exponentielle avec l'6nergie indique la pr6sence de transitions optiques assist6es par les impuret6s ou des excitations 616- mentaires.
La d6termination pr6cise du gap s 'obtient en traqant la courbe 0~ 2 ----- k 2 (h v - - E~) (Fig. 5) et en prolongeant la droite obtenue au-delh du seuil d 'absorp- tion jusqu'/l ~ ----- 0. Dans notre cas, Eg = 0,817 eV done ~c = 1,52 ~zm.
Le tableau [ r6capitule les principaux param6tres connus dans HgCdTe.
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M. ROYER. -- DI~.TECTEURS H g C d T e POUR TELI~COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES 65
~2 (108 cm-2)
0,817 0,85 0,9 0,95 E (eV)
FIG. 5. - - D6termination de Eg. c~ z = k(h,J - - E~). E, 0,817 ; X e = 1,52.
O" 0,8
Determination o f Eg.
TABL. I . - Principaux param~tres pour Hg~_xCdxTe & T = 300K.
Main parameters for Hgl_.xCdxTe at T = 300 K.
x = 0 , 7 0 Eg =0 ,919eV ~.e = 1,35~tm
a = 0,6472 nm m e ~ 0,08 m o Arc = 4 • 10 t7 cm -3
As, o = 0,86 eV N l = 4,3 • 101~ cm -~ ~L n = 5 X 10 0 cm 2 V -1 S -1 L n = 20 ~tm n = 2,88
m v = 0,5 m o N v = 9 • 1018 cm -3
[xl, = 10 z cm ~ V-1
Lp = 6 ~m E n = 12,5
I I . I ~ L A B O R A T I O N E T C A R A C T ~ R I S A T I O N D E S C R I S T A U X [4]
- - L a fu s ion du Hgo,aCdo,TTe se p r o d u i t & u n e t e m p 6 r a t u r e vo i s ine de 1 000~ et la p r e s s i o n de v a p e u r de m e r c u r e d a n s l ' e nc e in t e a t t e in t 100 a t m o - sph6res.
P o u r pa l l i e r ces inconv6nien t s , une t e c h n i q u e d e c ro i ssance en s o l u t i o n de te l lure (T rave l l i ng h e a t e r m e t h o d ) es t uti l is6e, ce qui a p o u r effet d ' a b a i s s e r t e m p 6 r a t u r e et p r e s s i o n de m e r c u r e dans l ' e n c e i n t e et d ' o b t e n i r des c r i s t aux de b o n n e qual i t6 .
D a n s cet te m 6 t h o d e de t r a n s p o r t de zone f o n d u e , on ob t i en t un a v a n t a g e s u p p l 6 m e n t a i r e de p u r i f i c a t i o n p a r s6gr6gat ion d a n s le so lva n t des i m p u r e t 6 s de coeff ic ient ko < 1. Les l ingo t s de d i a m 6 t r e 30 m m ou p lus son t d6bi t6s en t r anches de sec t ion c i r cu la i r e . U n r e n d e m e n t 61ev6 est o b t e n u grace au b o n p rof i l l o n g i t u d i n a l de c o m p o s i t i o n , c h a q u e l ingo t p o u v a n t f ou rn i r p lus ieurs d iza ines de t ranches .
Les t r a v a u x de ca r ac t6 r i s a t i on effectu6s su r les l ingots son t de t ro i s sor tes :
1) des ana lyses p h y s i c o c h i m i q u e s p o u r 6va lue r la pure t6 ch imique ,
2) des me su re s de c o m p o s i t i o n c o n c e r n a n t la f rac - t ion m o l a i r e x,
3) des me su re s de H a l l p e r m e t t a n t de c o n n a i t r e le t ype N ou P de c o n d u c t i o n 61ectrique et a ins i que p e t b~.
Les p ropr i6 t6s 61ectriques vis6es ( fa ib le d o p a g e ) n6cess i tant la r6a l i sa t ion de l ingots de h a u t e pu re t6 p r i n c i p a l e m e n t avec les 616ments a y a n t u n ca r ac t6 r e 61ectr iquement ac t i f dans ces c r i s taux : so i t p o u r le t ype P les 616ments nob l e s Cu, Ag, A u et p o u r le t ype N les 616ments AI et Si.
U n e ana lyse p a n o r a m i q u e p a r spec t rom6t r i e de masse & 6tincel les (SME) p e r m e t de d6tec ter t o u s ces 616ments dans la m~me op6ra t ion . Le t a b l e a u I I m o n t r e la pure t6 o b t e n u e sur nos c r i s t aux H g T e et H g C d T e .
TABL. II. - - Analyse chimique par SME (ppm atomiques) (1).
Chemical analysis by spark mass spectrometry (atomic ppm) .
El6ment lingot
HgTe n ~ 164 174 184
N ~ 171
Ag
< 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05
A1
0,1 0,05 0,05 0,15 0,12 (2)
Au
< 0,05 (3) < 0,05 < 0,05 < 0,05
CdHgTe N ~ 79 (4) 0,05 0,7 < 0,05
S i
0,1 0,1 0,1 0,25
L a synth6se de l ' a l l i age H g t _ x C d x T e & p a r t i r de m6 thodes d i tes s to6ch iom6t r iques ( p r o p o r t i o n s ini- t ia les i den t iques aux p r o p o r t i o n s finales) se heur te & deux diff icult6s m a j e u r e s d6s lors que la c o m p o s i t i o n de l ' a l l i age s ' e n r i e h i t en CdTe .
- - Le coeff ic ient de s6gr6gat ion ent re le m e r c u r e et le c a d m i u m dev i en t tr6s 61ev6.
(l) 0,1 ppma repr6sente une densit6 de 3 + 1016 at/cm a dans CdHgTe.
(2) Par spectrophotom6trie el'absorption atomique sans flamme.
(3) Le signe < indique une interf6rence entre deux raies non r6solues (ex. Si 2s et Cd112).4+
(4) Autres 616ments l NCa <: 0,5,0,1,Cro : :0'11,5Ni < 0,2, C : 1,5
et 616merits non eit6s < 0,05.
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66 M. ROYER. - DI~TECTEURS H g C d T e POUR TELt~COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES
U n p r o b l 6 m e i m p o r t a n t d a n s les a l l iages H g C d T e
est la mesure de la c o m p o s i t i o n x et celle de l ' h o m o -
g6n6it6 de celle-ci sur une m~me p laque . L a c o m p o -
s i t ion x a 6t6 mesur6e p a r dosage ch imique des
6Mments Te, C d et H g p a r a b s o r p t i o n a t o m i q u e au
C N E T - L a n n i o n . Ce t t e m 6 t h o d e des t ruc t ive a 6t6
a b a n d o n n 6 e au p ro f i t de l ' 6mi s s ion X issue, soi t de
l ' e x c i t a t i o n 61ectronique ( m i c r o s o n d e C a m e b a x ) , soit
de l ' e x c i t a t i o n p h o t o n i q u e X ( spec t rom6t re de fluo-
rescence X). Le t a b l e a u I I I m o n t r e les mesures relev6es
sur les 2 d i am6t re s x-y d ' u n e p l aque H g C d T e . L a
f igure 6 m o n t r e l ' homog6n6 i t6 r ad i a l e d ' u n e au t re
p l aque mesur6e en t r a n s m i s s i o n op t ique et expr im6e
en l o n g u e u r d ' o n d e .
TABL. III. - - Mesures de composition par microsonde CAMEBAX MBXCOR- 4 SV. Mesures au pas de 1 mm, en balayage de
50 • 50 ~m. Plaque n ~ 79-9A21 -36.
Composition measurements by microprobe CAMECA MBXCOR-4 SV.
@@@ o/
I I
FIG. 6. - - Homog6n6it6 radiale en composition des tranches HgCdTe- ~ 30 mm.
0, 5070 d'apr~s transmission optique).
Radial composition homogeneity of HgCdTe slices ;3 30 mm. (X 50 % from optical transmission).
Deux ~t t ro i s pr616vements son t fa i ts p a r l ingot p o u r en contr61er la qual i t6 . Le t a b l e a u IV pr6sente que lques r6sul ta ts ob tenus .
TABL. IV. - - Mesures de Hall sur du mat6riau Hgo,aCdo,TTe brut de m6tallurgie.
Hall measurements on a as-grown crystal of Hgo.aCdo.TTe.
Mesures de transmission optique avec diaphragme 4,5 mm.
N ~ A (~. h 50 70 de transmission) : 1,42 [xm ; Eg : 0,873 eV
B ~ 1,41 ~tm ; E~ : 0,879 eV
C ~ 1,412 ptm ; E~ : 0,878 eV
H . 1 . M e s u r e s d e H a l l .
- - L a pure t6 61ectronique est contr616e p a r des
mesu res d ' e f fe t Ha l l h la t e m p 6 r a t u r e a m b i a n t e sur
le m a t 6 r i a u b r u t de synth6se.
Augmentation du caractbre P natif.
Plus ieurs t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s ~t hau te t e m p & ra tu r e sous p re s s ion de v a p e u r de mercure on t &6 e s say , s.
Le d o p a g e P a u g m e n t e d ' u n f ac t eu r 2 h 10 t and i s que la r6sistivit6 d i m i n u e d ' a u t a n t , la mobi l i t6 r e s t an t cons tan te .
Inversion de type : mesure du caractbre N.
Plus ieurs t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s sous p ress ion de vapeu r de m e r c u r e et c a d m i u m on t 6t6 tes t&.
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M. ROYER. - Df/TECTEURS HgCdTe POUR TELI~COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES 6 7
Le tableau V pr6sente les r6sultats obtenus :
TABL. V. - - M e s u r e s de Hal l su r Hgo,3Cd0,TTe T ype N.
Hall measurements on N-Type Hgo.aCdo.TTe crystals.
N ~
80 7021 2 2
80 7021 23 !
81 22021 12 !
80 14021 8
Trai t . t he rm. (oc)
300
350
380
400
D o p a g e N z ( c m -3)
1,5.1015
3,1.10 t5
4,2.10 la
1,5.1015
P .~< cm)F(V-ls-lcm ~
3,6 1120
1,7 1200
1,4 1050
1,8 2300
- - le contact sup6rieur N e s t pris au travers d 'ouver- tures pratiqu6es dans la couche de protect ion par d6p6t localis6 de couches m6talliques.
Le contact P est obtenu par m6tallisation totale de la face arri6re de la plaque.
IH.2. Implantation ionique.
L'implantat ion ionique est utilis6e pour obtenir un profil de concentrat ion N superficiel et reproduc- tible. Le contr61e se f a i t h l 'aide de l 'analyseur ionique (*). Les figures 7 a et b montrent deux profils
On constate que :
- - L e dopage se situe toujours dans la gamme I0 ~s avec des fluctuations qui ne semblent pas li6es au traitement thermique.
- - La r6sistivit6 semble peu affect6e par la temp6- rature du trai tement lorsque celle-ci exc6de 350~
En dessous d 'une temp6rature de traitement de 400~ une plaquette d '@aisseur 1 mm n'est pas totalement convertie en N apr6s une vingtaine dejours.
HI. T E C H N O L O G I E S MISES EN (EUVRE P O U R LA R]~ALISATION DES C O M P O S A N T S
III.1. Fabrication de la photodiode.
Le processus de r6alisation de la photodiode HgCdTe est un proc6d6 photoli thographique planar conventionnel directement adapt6 de la technologie utilis6e dans l ' industrie du circuit int6gr6.
Les principales op6rations conduisant h des photo- diodes N/P sur la plaque HgCdTe peuvent ~tre r6sum6es de la faqon suivante :
- - t r a i t e m e n t thermique consolidant le caract6re P du mat6riau (NA = 1016 cm-3),
- - polissage fin de la surface de la plaque suivi d 'un d6capage chimique dans une solution de brome m6thanol,
- - d6p6t par pulv6risation cathodique de couches di61ectriques, ouverture de fen~tres par photogravure et d6capage chimique,
- - formation de la jonct ion N/P par implantation d'ions, aluminium (100 keV - - 5.10 ~4 at. cm -2) suivie d 'un recuit basse temp6rature sous pression de vapeur de mercure,
- - d@6t par pulv6risation cathodique d 'une couche de protection servant & la fois d'isolant pour le contact sup6rieur et de couche antireflet h 1,3 ~m,
Unit6s relatives IAI /ITe /At/Ire
8 t 12
, ',
LL' ',
| R p ~ _ . , .
0 0,3 1 2 3 Profondeur (~rn)
FIG. 7. - - Profi l d ' i m p l a n t a t i o n ionique .
a : dose 1014 c m - a ; 0 1.5021-29.5 ;
b : dose 5 • 10 t4 c r n - a ; __ __ __ 0 1.5021-30.5.
Ion implantation profil.
de couches implant6es, non recuites, avec les para- m6tres 6nergie = 250 keV, doses 1 • 1014 et 5 • 1014 at. cm -2. Les conditions d 'analyse utilisent des atomes argon primaire, la vitesse de pulv6risation est de 0,2 & 0,3 nms -1, la r6solution en profondeur de 5 nm et la sensibilit6 meilleure que 1015 at. cm -3.
Chaque profil pr~sente trois zones et h partir de la surface on distingue :
1) Une zone oh la concentrat ion augmente vers la surface (il s'agit probablement d 'un artefact dO
(*) C A M E C A S M 300.
6/11 ANN. TI~LI~COMMUN., 38, n ~ 1-2, 1983
68 M. ROYER. -- Dt~TECTEURS HgCdTe POUR TI~LI~COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES
& l ' augmenta t ion tr6s impor tan te du taux d ' ionisa- t ion de l ' a lumin ium en prdsence d 'oxyg6ne adsorb6).
2) Une zone interm6diaire avec un profil gaussien autour du m a x i m u m N~,~ caract6ris6 par sa distance Rp & la surface et par sa largeur & mi-hauteur ARp. En applicat ion de la th6orie LSS (Lindmard, Scharff et Schiott) on calcule Nm,x = dose/(x/2-rc Rp).
L'6nergie d ' implan ta t ion 6tant la m~me dans les deux exemples, la p rofondeur Rp qui ne d@end que d'elle, est bien trouv6e constante, par contre le rappor t des deux valeurs N~a~ exp6rimentales (dgal & 3) n 'es t pas trouv6 dgal au rappor t des doses ( • 5) ; ce qui s 'explique par le fait qu ' i l s 'agi t de taux de comptage par r appor t au tellure et non d 'a tomes .
3) La troisi6me zone dire queue de profil est plate et repr6sente le bruit de fond. Le tableau VI rdsume les rdsultats.
TABL. VI. - - ParamStres d'implantation ionique pour deux doses.
Ion implantation parameters for two doses.
Dose
Nma x exp6rimental (Valeur relative) Nm. X calcul6 (At/[zcm 3) Rp (~m) ARp q.un)
14 1 • 10 cm -2
3,5
0,44 • l0 ta 0,3 0,3
14 5 x 10 cm -2
11
2,2 • l0 ts 0,3 0,5
IV. S T R U C T U R E DE LA P H O T O D I O D E
La variation de la capacit6 avec la polarisation inverse du d6tecteur, mont re une d6pendance en V -~13 jusqu'& 5 V, puis une d@endance en V -~t2
au-del& de cette valeur, ce qui indique que la zone de charge d 'espace c6td N s '&end jusqu 'h la limite de la rdgion N +.
La forme de la rdponse spectrale montre que la zone de ddpldtion s '6tend principalement vers la surface lorsque la tension de polarisation inverse de la photodiode augmente ; en effet la rdponse s 'accrolt essentiellement vers les longueurs d 'onde les plus courtes (voir Fig. 9).
La structure repr6sent6e figure 8 est d6duite des mesures de capacit6 en fonction de la polarisation, de sensibilit6 en fonct ion de la longueur d ' onde et de la polarisation, et du courant induit par faisceau d'61ectrons.
hv 2 + Couche ant i ref let , ~ Implantat ion At , i i -Con tac t N annulaire
C o u c h e s isolantes I ' [ Plagepour soudur#
I k~g c" te N+'I • I I
t - Hg Cd Te P (1 x1016cm -3)
/ 111111111 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l ] l l III1111111111 I I I I I I I I ] l l l l l l I I I I I I I I ! I I I I H I I I I I I I I I I I1 [111111 I
f Contact P
FIG. 8. - - Structure de la photodiode HgCdTe.
Structure o f the HgCdTe diode.
0,5 prn
, 2LJm
Enfin les mesures de courant induit rdalis6es au- microscope dlectronique & balayage sur dchantillons cliv6s indiquent bien une profondeur de jonct ion de 2,5 ~m.
V. CARACT]~RISTIQUES DES D ~ T E C T E U R S
IV.1. Photodiodes PIN pour fibres optiques.
Les valeurs d6j& indiqudes sont relatives aux d6tec- teurs HgCdTe dans l '6tat actuel du ddveloppement [5, 6] : les mesures sont effectu6es & temp6rature ambiante, la pho tod iode 6tant polarisde & - - 10 V.
La surface sensible de la photodiode (diam6tre 80 ~tm) est bien adaptde aux fb res optiques d'utili- sation courante pour les liaisons grande distance (gradient d ' indice 50/125 i.tm). Le contact annulaire supdrieur (N) ddlimite la surface sensible de la diode et assure une collection efficace du photocourant .
Le domaine de sensibilit6 spectrale s 'dtend depuis 0,9 Fm jusqu'& 1,4 ~tm pour des d6tecteurs rdalis6s
ANN. T~Lt~COMMUN., 38 :n ~ 1-2, 1983 7/11
M. ROYER. - DI~TECTEURS HgCdTe POUR TELECOMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES 69
part ir de l 'al l iage Hgo,aCdo,TTe : la coupure haute peut 6tre repouss6e jusqu'& 1,6 Fm par simple modi- fication de la composi t ion de l 'alliage (x = 0,62).
La sensibilit6 h 1,3 F m e s t sup6rieure & 0,5 A/W et peut atteindre des valeurs aussi 61ev6es que 0,8 A/W.
Le courant d '6clairement est lin6aire de 0 dBm - - 60 dBm comme le mont re la figure I0, issue de
mesures pr61iminaires.
Sensibilit~ (A/W) 1,0 i
0,8 ~o--o.
0,6
0,4 ~
0,2 t- 1
0
I I I I
O O ~ , O - - - - - - - O ~ O - - - - - O
- I 0 -20 ~O -40 -50 -60 Ec]airement (dBm)
FIG. 10. - - Lin6arit6 du photocourant en fonction de la puissance lumineuse.
Linearity o f the photocurrent versus light power.
C o u r a n t d ' o b s c u r i t 6 ( n A )
1 0 0 t 1 I I I I I
1 0
1
0,1 I I I I I I l
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Temp6rature (~
FIG. 11. - - Courant d'obscurit6 de la diode polaris6e & Vp = - - 10 V en fonction de la temp6rature Hg0,3Cdo,TTe.
Dark current versus temperature o f a diode with a - - 1 0 V reverse bias voltage,
Courant de saturation (nA) 10 i l i I I I I
Lorsque la photodiode est polaris6e & - - 10 V, le courant d 'obscur i t6 est inf6rieur & 10 nA, les plus faibles valeurs obtenues sont de l 'o rdre de 0,5 nA. Dans une g a m m e de temp6ratures proches du fonc- t ionnement r6el ( - - 20~ + 60~ la valeur du cou- rant d 'obscuri t6 /t polarisat ion inverse de - - 10 V (composante de bruit du d6tecteur) est multipli6e par un facteur de l 'o rdre de 1,8 chaque lois que la temp6rature s'616ve de 10~ (Fig. 11). Enfin nous avons not6 que la variat ion du courant de saturation de la diode avec la temp6rature est bien repr6sent6e par une loi proche du processus de g6n6ration- recombinaison (13 ----- 1,65) (Fig. 12).
La capacit6 totale ( jonction et contacts m6tallis6s) est d ' envi ron 1 p F dans les conditions de polarisation de - - 10 V. Des valeurs plus faibles peuvent ~tre obtenues en minimisant les capacit6s parasites dues au repor t des contacts.
La bande passante mesur6e & ~ = 1,3 Fm et pour un pbo tocouran t de 500 nA est de 500 M H z ( - - 3 dB), des bandes passantes de 850 M H z ont pu 8tre mesur6es sur des d6tecteurs optimis6s.
La mesure du brui t de couran t a permis de s 'assurer de la lin6arit6 du bruit en fonct ion du courant d'6clai- rement. Cette mesure est r6alis6e & l 'aide d 'une diode 61ectroluminescente 6mettant & 1,3 ~tm, l ' image de la diode est form6e au centre de la surface sensible du d6teeteur HgC dTe ; le bruit (suppos6 blanc) est mesur6 autour de 30 M H z dans une bande de 1 MHz et est port6 en fonct ion de l '6clairement. Un compor- tement Schottky est bien observ6 et mont re l 'absence
1
o,1
I I I I I I I
3 3,2 3,4 3,6 3,8 looo (K -~)
T
FIG. 12. - - Courant de saturation de la diode en fonction de l'inverse de la temp6rature.
Saturation current o f the diode versus 1/T.
de bruit parasite. Le tableau VII r6sume les caract6- ristiques de diodes. (Fig. 13).
IV.2. Photodiodes PIN de grande surface.
Elles ont pu 6tre r~alis6es grace & l 'homog6n~it6 des r6sultats obtenus qui est mise en 6vidence pa r
8/11 ANN. TI~LI~COMMUN., 38, n ~ 1-2, 1983
70 M. ROYER. -- DI~TECTEURS H g C d T e POUR TI~LECOMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES
TABL. VII. - - Caract6ristiques principales d'une photodiode HgCdTe 1,3 ~.m Vp = - - 10 V et T = 25~
Main characteristics o f a 1.3 Fm H g C d T e photodiode.
Typ. Max.
Diam6tre surface sensible 80 ~.m - -
Domaine sensibilit6 spectrale 0,9-1,4 I~m - -
Sensibilit6 & 1,3 ~m 0,5 A/W 0,8 A/W
Courant d'obscurit6 10 nA 0,5 nA
Capacit6 totale 1 pF 0,5 pF
Bande passante ( - - 3 dB) 500 MHz 850 MHz)
Pourcentage de diodes 1 0 0 % t I
1
50%
I I 1 2
I I ] I i I I
I
I I 1 I I 1 1 3 4 5 6 7 8 9 10
Courant d'obscurit6 (nA)
1 0 0 %
50%
FIG. 13. - - Histogramme des courants d'obscurit6 relev6s sur plaque V n = - - 10 V ; T = 25~
Distribution o f dark currents measured on a slice, Vp = - - 10 V and T = 25zC.
l ' h i s t o g r a m m e des c o u r a n t s d ' o b s c u r i t 6 de pho to - d i o d e s ~ 80 ~tm relev6s sur une m~me p l a q u e c o m m e l ' i n d i q u e la f igure 1 3 ; 97 % des d iodes pr6sentent u n c o u r a n t d ' o b s c u r i t 6 i n f 6 r i e u r / t l 0 n A et 42 % un c o u r a n t d ' o b s c u r i t 6 de l ' o r d r e de 1 n A sous po la r i - s a t i o n de - - 10 V. Ce t t e r ep roduc t ib i l i t 6 , typ ique d ' u n e t echno log ie p l a n a r b i en mal t r i s6e , a permis l ' 6 t u d e de d6tec teurs de g r a n d e sur face (d iam6tres de 1 et 2 m m ) de qual i t6 sa t i s f a i san te : c o u r a n t d ' o b s c u r i t 6 de l ' o r d r e de 100 n A & - - 5 V p o u r une su r face de j o n c t i o n de 3.10 - 2 c m 2, sensibi l i t6 p roche de 0,8 A / W / t X = 1,3 Fm, et exce l len te homog6n6i t6 de la r6ponse conf i rm6e p a r b a l a y a g e fin de la surface sens ib le de la p h o t o d i o d e & l ' a i d e d ' u n e t ache lumi- neuse de pe t i te d i m e n s i o n ( ~ 5 Fro) 6mise p a r une source l a s e r / t 1,3 F m (Fig . 14). Ces d6tec teurs g rande sur face son t dest in6s au contr61e et /t la caract6r i - s a t i o n des f ibres op t iques , une a u t r e u t i l i sa t ion envi-
/ - " x ,
0,1mm I J i _ - - - . - - - . ~ ~ ~-
0 , 1 m m
FIG. 14. - - Cartographic de la surface sensible d'une diode HgCdTe de diam6tre de 2 ram.
Fine spot sensit ivi ty profiles f o r a typical 1.3 ~tnz diode with 2 m m diameter.
sag6e est l ' a s s e r v i s s e m e n t de la pu i s sance op t ique 6mise pa r une d i o d e laser G a l n A s P .
Le t a b l e a u V I I I r6sume les carac t6r i s t iques des d iodes ~ 2 m m .
TABL. VIII. - - Caract6ristiques principales photodiode HgCdTe 1,3 [zm de grande surface Vp = - - 5 V e t T = 25~
Main characterist ics o f a large surface 1.3 ~tm H g C d T e photodiode.
Typ. Max.
Diam6tre surface sensible 2 mm - -
Domaine sensibilit6 spectrale 0,9-1,4 ~m - -
Sensibilit6 & 1,3 p-m 0,5 A/W 0,8 A/W
Courant d'obscurit6 1 ~A 90 nA
Capacit6 totale 200 pF 200 pF
Bande passante 10 MHz 10 MHz
I V . 3 . F i a b i l i t 6 d e s d i o d e s .
Des essais pr61iminaires de v ie i l l i ssement , r6alis6s sur un 6chan t i l l onnage de p h o t o d i o d e s H g C d T e 1,3 p.m pr61ev6es sur diff6rentes p laques , condu i sen t /t des r6su l ta t s e n c o u r a g e a n t s .
Des relev6s p6 r iod iques de la ca rac td r i s t ique c o u r a n t t ens ion /t l ' ob scu r i t 6 et & t e m p 6 r a t u r e a m b i a n t e ne m o n t r e n t a u c u n e d 6 g r a d a t i o n p e r c e p t i b l e apr~s :
- - p l u s de 6 moi s de s tockage /t 80~
- - p lus de 104 heures sous p o l a r i s a t i o n p e r m a n e n t e de - - 10 V.
ANN. T~L~COMMUN., 38, n ~ 1-2, 1983 9/11
M. ROYER. - DETECTEURS HgCdTe POUR TI~LI~COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES 71
Des essais sous contraintes thermiques 6chelonn6es ont 6t6 men6s sur 3 lots de photodiodes HgCdTe 1,3 tzm issues de la m~me plaque. Afin de n'6tudier que la contrainte en temp6rature (essais de 80 & 200~ par paliers de 20~ puis de 200 & 250~ par paliers de 10~ les essais ont 6t6 men6s sous vide dynamique (10 -6 torr).
La mesure du courant d'obscurit6 (lob) au point de fonctionnement nominal des diodes (Vp = - - 10 V) est effectu6e & temp6rature ambiante avant et apr6s chaque essai. Le calcul du pourcentage cumul6 des d6faillances (augmentat ion d 'un facteur 2 du courant lob) permet d'6valuer en premi6re approximation une 6nergie d 'act ivat ion du ph6nom~ne de d6gradation acc616r6 par la temp6rature de l 'ordre de E a m 1 eV.
I V . 4 . E t u d e d e s s t r u c t u r e s /t a v a l a n c h e .
La structure de bandes particuli6re de l'alliage HgCdTe pour des composit ions proches de 1,3 tzm dolt conf6rer & ce mat6riau des propri6t6s d'ionisation int6ressantes [7, 8]. Un for t rapport des coefficients d'ionisation, donc un bruit propre d 'avalanche faible, est en effet a t tendu pour des compositions off les valeurs du gap et du couplage spin-orbite de- viennent voisines [9].
L'61aboration des diodes utilise la m~me techno- logic. Un anneau de garde diffus6 permet, en outre, de minimiser les effets de bord de jonction et de surface.
La tension d 'avalanche se situe autour de 100 V. Le courant d 'obscurit6 & 90 V est voisin de 100 nA. La sensibilit6 des d6tecteurs & M = 1 est typiquement de 0,7 A/W et des coefficients de multiplication de 40 ont 6t6 obtenus (Fig. 15). L'homog6n6it6 de la photo-r6ponse en r6gime de gain a 6galement 6t6 contr616e. Les diodes pr6sentent un gain homog6ne
Mult ip l icat ion Mp I
40
30
20
10
l i
I I i I ' ~ ' , , I.,
I /
s J s
- - - t , ' - - - ' F - - - + - - - - ' f f . . . . 1 " - ~ 1 . . . . I ,
FIG. 15. - - Coefficient de multiplication par injection de trous Mp ; Ipl = 10 nA pour une diode HgCdTe- GF 8.
Multiplication coefficient by holes injection ( Mp ).
en tout point d'6clairement. La r6ponse des photo- diodes, mesur6e & 500 MHz, est conserv6e en fonction- nement d'avalanche. La d6termination pr6cise des coefficients d ' ionisat ion et leur 6volution en fonct ion de la composit ion de l'alliage est actuellement & l'6tude.
I V . 5 . E t u d e d e s p r o p r i 6 t 6 s d ' 6 m i s s i o n .
L'61ectroluminescence des diodes HgCdTe a 6t6 mise en 6vidence pour la premi6re fois & temp6rature ambiante aux longueurs d 'onde de 1,3 et 1,55 Fm. Les principales propri6t6s sont les suivantes :
- - lin6arit6 de la puissance 6mise avec le courant inject6 (jusqu'& 0,1 A),
- - puissance 6mise de l 'ordre de 10 g.W (soit des rendements externes 6valu6s compris entre 10 -4 et 10 -s pour des structures non adapt6es),
- - f o n c t i o n n e m e n t en impulsions avec des temps de mont6e de 20 ns,
- - d i a g r a m m e de rayonnement non direetionnel sym6trique et de large ouverture,
- - spectre d'6mission relativement 6troit (40 nm) et position du maximum qui peut ~tre attribu6 & une 6mission bande & bande (Fig. 16).
R6ponse spectrale relative (U .A)
1,44 LJl-n ]
1,30 ~m
A X = 83r im
A E 44 meV
1,55 ~m
'68 nm ] 39 meV
o,~ nm
42 meV
i - v I -- t I I I 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2
Longueur d 'onde (~m)
FIG. 16. - - Spectre d'61ectroluminescence de diodes HgCdTe
Electroluminescence spectra of HgCdTe diodes.
10/11 ANN. T~LI~COMMUN., 38, n ~ 1-2, 1983
72 M. ROYER. - DI~TECTEURS HgCdTe POUR TELlS, COMMUNICATION PAR FIBRES OPTIQUES
VI. A P P L I C A T I O N S E T P E R S P E C T I V E S
Une large g a m m e d ' app l i ca t ions peut d ' o r e s et d@t utiliser les d6tecteurs HgCdTe . En structure PIN sont propos6es des pho tod iodes ~t 1,3 et 1,55 ~m.
DOs 1983, en conf igura t ion 1,3 ~m et diam6tre 80 ~m des d6tecteurs seront fournis c o m m e r6cepteurs optiques p o u r des l iaisons exp6rimentales :
- - Char l i eu -Be lmont : l iaison h 34 Mbit/s , distance de 22 k m sans r6p6teur, seuil de d6tection de - - 42 d B m pour un taux d ' e r r e u r de 10 -9 en NRZ (non re tour
z6ro) ;
Angers - La Fl6che : l iaison ~ 140 Mbit/s , distances de 25 et 27 km, seuil de d6tection de - - 35 dBm. Les premi6res mesures en labora to i re indiquent des r6sultats satisfaisants car les pho to - diodes H g C d T e associ6es ~t des pr6amplif icateurs hybrid6s on t des pe r fo rmances de l ' o rd re de - - 45 dBm
34 Mbi t / s et - - 38 d B m ~ 140 Mbit/s .
L ' e m p l o i de d6tecteurs H g C d T e de grande surface pour l ' asservissement de la puissance opt ique des diodes lasers est aussi r6alis6 avec succ6s.
D ' au t r e s c o m p o s a n t s uti l isant le mat6riau H g C d T e sont en cours d ' 6 tude tels que la diode h avalanche, le t ransistor ~t effet de champ , ou peuvent ~tre envi- sag6s (pho toconduc teu r , d iode d '6mission, etc.). Ils con t r ibueron t au d6ve loppement des syst6mes ~t opt ique int6gr6e et h mult iplexage optique. Enfin, avec la ressource de p o u v o i r fonc t ionner au-delh de 1,55 ~tm, dans l ' i n f r a rouge m o y e n par exemple, ils p o u r r o n t ~tre associ6s aux prochaines g6n6rations de transmissions opt iques ut i l isant des fibres en verres fluor6s ( composan t s d '6miss ion et de r6ception).
R E M E R C I E M E N T S .
Les auteurs remercient tout particulikrement M M . Boisrobert, Fressy, Auffret, Sorel, Le Calvez et Verdier (CNET-Lannion B) , Henoc et Scavennec (CNET, Bagneux), Alibert et Gaillard (CEES, Montpellier), Scherrer et Weber ( E N S M I M , Nancy), Porte et Gendron (lab. luminescence, Paris-VI), Raymond et Verie (LPSES, Valbonne) et M M . Durand, Gori, Liverneaux, Radix et Riant pour leur assistance technique.
Manuscrit rer le 31 ddcembre 1982.
R I ~ F I ~ R E N C E S
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