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

Abstract

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.