Principes de
base : Un photodétecteur est un capteur à semi-conducteurs qui convertit l'énergie optique en énergie électrique, générant généralement un photocourant à sa sortie. L'incidence de photons d'une certaine énergie provoque la transition d'électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Pour que cette transition se produise, le minimum de la bande de conduction doit se situer directement au-dessus du maximum de la bande de valence dans l'espace des moments. Ces matériaux sont dits à bande interdite directe. À l'inverse, dans le cas des matériaux à bande interdite indirecte, le processus d'absorption nécessite l'intervention d'un phonon (une particule associée aux vibrations de la structure, possédant une faible énergie et une impulsion élevée par rapport au photon). Du fait de l'implication de trois particules différentes (électron, photon et phonon), la probabilité d'interaction est plus faible dans ce second cas, et l'absorption dans les matériaux à bande interdite indirecte est donc plus faible que dans les matériaux à bande interdite directe. Par conséquent, des couches absorbantes plus épaisses sont nécessaires, ce qui entraîne des temps de transit plus longs et une largeur de bande plus faible.

Malheureusement, le silicium et le germanium font partie des matériaux caractérisés par une bande interdite indirecte. Malgré cela, ils sont largement utilisés dans les applications LAN. Les détecteurs en silicium sont utilisés dans la gamme de 0,4 à 1,0 mm, tandis que les détecteurs en germanium couvrent des longueurs d'onde plus élevées (jusqu'à 1,8 mm). Pour les applications longue distance et hautes performances, les semi-conducteurs III-V sont couramment utilisés. Par exemple, une structure In_0,53Ga_0,47As sur InP présente une fréquence de coupure de 1,65 mm, ce qui la rend particulièrement utile pour les photodétecteurs dans les systèmes de télécommunications, car elle inclut les deux fenêtres de transmission typiques (1,3 et 1,55 mm). De plus, des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) et des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) ont également été réalisés sur InGaAs/InP, ce qui en fait un matériau idéal pour répondre aux exigences des systèmes de communication longue distance à intégration monolithique. La figure 1 présente les coefficients d'absorption en fonction de la longueur d'onde pour différents matériaux, et indique la longueur d'onde de coupure de chacun.
Comme mentionné précédemment, les photorécepteurs intégrés sont composés de deux éléments : un photodétecteur et un amplificateur électronique. Les photorécepteurs monolithiques offrent l'avantage d'un coût inférieur, de moins d'effets parasites et d'une fiabilité accrue par rapport aux photorécepteurs hybrides. Quel que soit le schéma d'intégration, le choix de la technologie pour la conception des photorécepteurs repose sur des critères de performance tels que la sensibilité, la réponse en fréquence et le bruit.

Il existe plusieurs types de photodétecteurs, et le plus approprié est choisi en fonction de son application finale. Dans le cas des systèmes de communication optique à haut débit, les photodiodes à avalanche, à guide d'ondes, PIN ou MSM (métal-semiconducteur-métal) sont les plus couramment utilisées. Parmi celles-ci, les photodiodes MSM sont les moins complexes, bien que leur rendement quantique soit limité pour un fonctionnement à haute vitesse. En revanche, les photodiodes à avalanche offrent une excellente sensibilité grâce à leur gain interne, mais leur bande passante est limitée. Enfin, les photodiodes PIN se caractérisent par une excellente bande passante, une bonne sensibilité et une bonne linéarité.
Bande passante et performances :
les photodiodes PIN classiques sont éclairées par le haut et sont faciles à aligner avec les fibres optiques. Cependant, il existe un compromis entre la bande passante et la réactivité. Ce compromis est généralement commun à toutes les technologies, car l'augmentation de la bande passante nécessite de réduire le temps de transit des porteurs, ce qui est obtenu en diminuant la taille de la zone d'absorption et, par conséquent, le gain du dispositif. Pour éviter ce problème, les photodiodes à guide d'ondes (WGPD) ont été développées. Ce dispositif est éclairé latéralement par un guide d'ondes, de sorte que les trajets de la lumière et des porteurs soient perpendiculaires. Ceci permet un contrôle plus ou moins indépendant des dimensions de la zone d'absorption. En contrepartie, l'alignement du dispositif avec la fibre optique s'avère plus complexe.

Les photodiodes PIN conventionnelles et les WGPD sont largement utilisées dans les récepteurs des systèmes de communication à haut débit. D'un point de vue industriel, la configuration PIN est privilégiée en raison de sa simplicité d'intégration. Pour améliorer la réactivité des dispositifs PIN, des circuits intégrés sont fabriqués à partir de transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) et de transistors à effet de champ à haute entropie (HEMT), permettant ainsi d'obtenir des récepteurs à gain et bande passante élevés. Des HBT et des HEMT ont d'ailleurs été réalisés sur InP avec des fréquences de coupure respectives de 604 et 562 GHz. En termes de bruit, les HBT présentent un facteur de bruit 1/f inférieur à celui des HEMT, tandis que ces derniers offrent d'excellentes performances en matière de bruit aux hautes fréquences. Les HEMT pseudomorphes, quant à eux, présentent de meilleurs facteurs de bruit de génération-recombinaison 1/fy.

Fabrication :
L’intégration monolithique des transistors PIN et HEMT repose sur une structure multicouche. En général, pour tous les photorécepteurs à base de HEMT, les couches HEMT sont déposées en premier, suivies des couches de détection, comme illustré sur la figure 2. En effet, les performances du dispositif supérieur sont souvent dégradées par les imperfections d’isolation des couches inférieures. Dans le cas d’un photodétecteur, cela se traduit par un courant d’obscurité, entraînant une augmentation du bruit de grenaille. Pour les HEMT, les effets parasites provoquent une dégradation, impactant significativement la fréquence de coupure de la réponse en gain. Il en résulte une limitation importante pour la conception d’amplificateurs à faible bruit et à large bande. Un avantage clé des photorécepteurs PIN-HEMT réside dans leur flexibilité de conception, car les hétérostructures du photodétecteur et du transistor/amplificateur peuvent être optimisées indépendamment.
L’augmentation du bruit de grenaille des PIN due au courant d’obscurité étant négligeable par rapport aux sources de bruit de l’amplificateur, les couches PIN sont généralement empilées sur les couches HEMT. Ceci est moins critique pour les conceptions à base de transistors bipolaires à hétérojonction (HBT), bien que la même méthode de fabrication soit généralement utilisée. Le processus de croissance et d'empilement des couches HBT et PIN est complexe car la structure résultante n'est pas plane ; par conséquent, les régions de base et de collecteur sont souvent communes, comme illustré sur la figure 3.

Dispositifs commerciaux.
De nombreuses entreprises fabriquent des photodétecteurs à large bande. Par exemple, Discovery Semiconductors. La figure 4 présente les réponses en fréquence de certains de leurs photodétecteurs. Ces derniers sont adaptés à la détection de signaux de 10, 20, 40 et jusqu'à 80 Gbit/s. La société allemande u2t Photonics est une autre entreprise spécialisée dans ce type de dispositif. La figure 5 montre une photographie du photodétecteur BPRV2123, caractérisé par un gain différentiel de 2 400 V/W et adapté à la détection de signaux OC-768/STM-256 jusqu'à 43 Gbit/s. Enfin, New Focus commercialise également des photodétecteurs à large bande. La figure 6 montre une photographie du modèle 1014, caractérisé par une bande passante de 45 GHz.

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Auteur:

Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications

Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence