Département de physique

Photorécepteurs 1,3-1,55 µm obtenus par intégration monolithique de photodiodes p-i-n et de transistors HEMT

Spicher, Jacques ; Ilegems, Marc (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1996 ; no 1551.

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    Summary
    This thesis deals with the monolithic integration of long wavelength (1.3-1.55 µm) p-i-n photodiodes with HEMT field effect transistors for the realization of wide bandwidth OEIC receivers for lightwave communication systems. Part of this work was carried out in collaboration with the Laboratory for Electromagnetic Fields and Microwave Electronics (IFH) of the ETH-Zürich. The p-i-n photodiode structure consisting of a n+-InP lower contact layer, a 1 µm undoped InGaAs absorption layer and a 100 nm p+-InGaAs upper contact layer was grown lattice-matched on an InP substrate by Chemical Beam Epitaxy (CBE). The p+-InGaAs layer allowed the fabrication of low resistivity ohmic contact. Being thin enough (100 nm) this layer did not induce any degradation of the quantum efficiency nor of the speed of response of the photodiodes. I-V measurements up to -25 V were performed at different temperatures to identify the processes causing the dark current. It was shown that the dark current at low voltage is dominated by a diffusion current and not by generation-recombination effects. At higher bias, the exponential behavior of the dark current with the applied reverse bias was well fitted by taking into account the effect of the electrical field on the generation process. To integrate horizontally the very different p-i-n and HEMT layer structures, a two-step growth approach was used. First, an AlInAs/InGaAs HEMT structure was grown lattice-matched on a semi-insulating InP substrate by Molecular Beam Epitaxy (MBE); except a thick AlInAs buffer layer (1,2 µm), this structure is conventional. Mesas down to the InP substrate were then formed using wet etching. Finally, in the second growth step, the InGaAs/InP p-i-n structure was grown by CBE. Comparisons between photodiodes grown in one-step and regrown photodiodes showed only minor difference; in particular the dark current of the regrown photodiodes remained very low : 130 pA at -5 V for 30-µm diameter diodes. The influence of the p-i-n regrowth on the two-dimensional electron gas (2-DEG) transport properties, that is to Say ns2D,μn2D and the channel sheet resistance Rcc, is more critical, as it was determined by both Hall and TLM measurements. In a first phase, the CBE regrowth was done using a SiO2 mask layer deposited by CVD on the top of the HEMT structure in order to achieve a selective area regrowth of the p-i-n structure. However this growth step, done at around 520°C for more than one hour, led to a severe degradation of the 2-DEG transport properties. After the first growth Rcc was 240 Ω/square and it became as high as 600 Ω/square after the p-i-n selective regrowth. Test samples consisting of AlInAs were prepared; an increase in the trap concentration was measured when these samples were exposed to a similar treatment. The results showed that the degradation was clearly due to the presence of the SiO2 mask layer and the CBE growth conditions themselves were not responsible. In order to overcome this problem, the SiO2 deposition step was omitted resulting in a non selective regrowth. In this case, the p-i-n material is also deposited on top of the HEMT structure. This scheme of integration is therefore only feasible if the undesired p-i-n layers can be selectively etched away without degrading the underlying HEMT structure. In a first set of experiments, this selective etching was performed using the n+-InP p-i-n lower contact layer as an etch stop. Satisfying results were obtained, since Rcc remained under 300 Ω/square. In a second approach, an InP cap layer was added to the HEMT structure before its patterning. This led to a very slight reduction in the 2-DEG properties with an increase of only 3 % of Rcc after the regrowth and the subsequent selective etching of the undesired p-i-n material. Using the latter scheme of integration, complete photoreceivers were successfully fabricated using standard contact photolithography, except for the definition of the 0.25-µm T-shape HEMT gates. The current gain cutoff frequency fT exhibited by single HEMTs was higher than 100 GHz and a flat photoresponse with a bandwidth of 18 GHz was obtained for the OEIC receivers. The average equivalent input noise current density was 11 pA/√Hz and the responsivity measured at 1.55 µm of the photodiodes was 0.5 A/W. These values led to a sensitivity of -18 dBm calculated for a data bit rate of 20 Gbit/s at a BER of 10-9.
    Résumé
    L'objectif de ce travail est l'intégration monolithique de photodiodes p-i-n adaptées aux longueurs d'onde entre 1,3 Pm et 1,55 µm et de transistors à effet de champ de type HEMT pour la réalisation d'un photorécepteur à large bande destiné aux télécommunications optiques. Une partie de ce travail a été entrepris en collaboration avec l'ETHZ-IFH. La structure des photodiodes p-i-n est déposée par épitaxie à jets chimiques (CBE) en accord de maille sur un substrat InP. Elle s'articule autour d'une zone d'absorption en InGaAs non intentionnellement dopé de 1 µm, entourée d'une couche de contact n en InP et d'une couche de contact p en InGaAs. Cette dernière facilite l'obtention de contacts ohmiques de type p à faible résistivité et l'on a pu montrer qu'elle était suffisamment fine (100 nm) pour ne pas dégrader ni le rendement quantique, ni la vitesse de réponse des photodiodes. Les processus à l'origine du courant d'obscurité des photodiodes ont été identifiés grâce à des mesures I-V effectuées jusqu'à -25 V et à différentes températures. Il a notamment été montré qu'aux faibles polarisations, le courant d'obscurité est dominé par une composante de diffusion plutôt que de génération-recombinaison; pour des tensions plus élevées, la prise en compte de l'effet du champ électrique sur le mécanisme de génération a permis de modéliser de manière satisfaisante l'augmentation exponentielle du courant avec la tension appliquée. Afin de réaliser une intégration horizontale des photodiodes et des transistors, deux étapes de croissance ont été utilisées. La structure AlInAs/InGaAs des transistors HEMT est tout d'abord déposée par épitaxie à jets moléculaires (MBE) en accord de maille sur un substrat InP vierge; hormis la présence d'une couche tampon en AlInAs épaisse (1,2 µm), cette structure est conventionnelle. Après le creusement par voie humide de fosses jusqu'au substrat InP, la structure InGaAs/InP des photodiodes p-i-n est obtenue durant la deuxième étape de croissance, effectuée par CBE. Seules des différences mineures ont pu être détectées entre les photodiodes épitaxiées sur un substrat vierge et les photodiodes obtenues par recroissance; en particulier le courant d'obscurité des diodes recrûes demeure très faible : 130 pA à -5 V pour des diodes de 30 µm de diamètre. L'influence de la deuxième étape de croissance sur les performances potentielles des transistors est plus critique; elle a été évaluée par des mesures d'effet Hall, corroborées par des mesures TLM, des propriétés de conduction, à savoir ns2D,μn2D et la résistance de couche du canal Rcc, de la structure HEMT. Dans un premier temps, un masque SiO2 déposé par CVD sur la structure HEMT a été utilisé afin d'obtenir une recroissance sélective de la structure p-i-n. Suite à la recroissance, effectuée autour de 520 °C pendant plus d'une heure, une importante augmentation de la résistance de couche Rcc de la structure HEMT a été mesurée. De 240 Ω/carré après la croissance MBE, Rcc est passé à plus de 600 Ω/carré après la recroissance. Consécutivement à un traitement similaire, une augmentation de la concentration de pièges dans l'AlInAs a en outre été mesurée sur des échantillons de test. Les résultats obtenus ont clairement montré que la dégradation pouvait être attribuée à la présence du masque de SiO2, tandis que les conditions de la recroissance elles-mêmes ont pu être mises hors de cause. Pour remédier à ce problème, une recroissance non sélective de la structure p-i-n a été proposée. Le masque de SiO2 n'est alors plus nécessaire, mais des couches indésirables sont également déposées au-dessus de la structure HEMT. Cette méthode n'est donc acceptable que si ces couches peuvent être décapées sélectivement, sans endommager la structure HEMT immédiatement en dessous. En utilisant d'abord simplement la couche de contact n+-InP de la structure p-i-n pour stopper l'attaque, des résultats satisfaisants ont été obtenus puisque Rcc reste inférieur à 300 Ω/carré. Néanmoins, une couche additionnelle d'InP, déposée par dessus la structure HEMT avant le creusement des fosses destinées à accueillir les photodiodes p-i-n, permet d'améliorer encore ce résultat. En effet, une réduction de Rcc de seulement 3 % a alors été mesurée après la recroissance et le décapage sélectif des couches indésirables. C'est sur des plaquettes obtenues avec cette dernière méthode d'intégration que des photorécepteurs complets on été réalisés avec succès en utilisant la photolithographie standard par contact, excepté pour la définition des grilles de 0,25 µm des HEMTs. La fréquence de coupure du gain en courant fT des transistors discrets est supérieure à 100 GHz et la bande passante des photorécepteurs est de 18 GHz sans pic prononcé. Avec un courant de bruit équivalent moyen de 11 pA/√Hz et une responsivité des photodiodes, mesurée à 1,55 µm, de 0,5 A/W, une sensibilité de -18 dBm est évaluée à 20 Gbit/s pour un BER de 10-9.