Propriétés électriques des photodiodes ultra-rapides à base de nitrures d'éléments III-V

Abstract

Les photodiodes à base des matériaux semiconducteurs III-nitrure sont d'une grande importance dans diverses applications, telles que la surveillance par satellite, médicale et environnementale. Elles permettent la détection du rayonnement ultraviolet (UV) et le fonctionnement à haute température et dans des environnements radiatifs. Dans ce travail, nous rapportons la conception et la simulation numérique de deux types de photodiodes UV à l'aide du logiciel Atlas-Silvaco. La première photodiode est une jonction p-i-n en GaN avec multiples puits quantiques (MQW) In0.1Ga0.9N /GaN insérés dans la région intrinsèque tandis que la seconde est une photodiode p-i-n en GaN à hétérojonction utilisant une couche p-In0.1Ga0.9N. Leurs performances sont évaluées en étudiant à la fois les réponses spectrales et fréquentielles. Les photodiodes In0.1Ga0.9N/GaN MQW sont évaluées en étudiant les effets des divers paramètres, tels que le nombre de puits quantiques, la tension de polarisation inverse et la polarisation. Cette étude aboutit à une structure optimale de la photodiode In0.1Ga0.9N/GaN MQW de 15 périodes ayant une sensibilité spectrale maximale de 0.25 A/W à 0.35 μm et une fréquence de coupure de 8,2 GHz sous une tension de polarisation inverse de -10 V et un facteur de polarisation de 0.25. Cette étude montre également que les performances en sensibilité spectrale se dégradent avec l’augmentation du facteur de la polarisation due à l'augmentation de la recombinaison des photoporteurs. En revanche, la fréquence de coupure augmente significativement avec la polarisation et atteint une valeur maximale de 28 GHz pour un facteur de la polarisation de 0.9 en raison de l'augmentation du champ induit par la polarisation dans les QWs. Dans la deuxième étape de notre travail, une nouvelle structure d'une photodiode p-i-n en GaN à hétérojonction utilisant une couche p-In0.1Ga0.9N est proposée. Les résultats de la simulation montrent que, par rapport à la structure p-i-n en GaN à homojonction, la structure p-i-n GaN à hétérojonction proposée fonctionne mieux sur la base des résultats de simulations tels que la densité de photocourant et la sensibilité spectrale. Les effets de la tension de polarisation inverse, l’intensité lumineuse et l'épaisseur de la couche absorbante i-GaN sont explorés. La sensibilité spectrale maximale et la fréquence de coupure augmentent remarquablement avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse. La dégradation de la sensibilité spectrale du dispositif et de la fréquence de coupure à haute densité de puissance d'excitation optique est également étudiée. En augmentant l'épaisseur de la couche absorbante i-GaN, la sensibilité spectrale augmente mais la fréquence de coupure diminue. La sensibilité spectrale maximale est de 0.3 A/W à 0.363 μm sous une intensité d'éclairage de 105 W/cm2 et une tension de polarisation inverse appliquée de -2 V, tandis que la fréquence de coupure la plus élevée de 12 GHz est obtenue à une tension de polarisation inverse appliquée de -14 V.