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Contribution à l'étude et à l'optimisation de composants ...

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N° d'ordre : 2339


THESE

présentée à


L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE

pour obtenir le titre de


DOCTEUR DE L'UNIVERSITE

Spécialité : Electronique

Par

Vincent MAGNIN




CONTRIBUTION A L’ETUDE ET A L’OPTIMISATION DE
COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES







Soutenue le 22 octobre 1998 devant la Commission d'Examen :

M. E. CONSTANT Président (USTL)
M. D. DECOSTER Directeur de Thèse (USTL)
M. J. HARARI Co-directeur de Thèse (USTL)
M. R. ALABEDRA Rapporteur (Université de Montpellier II)
M. C. BOISROBERT Rapporteur (Fac. des Sc. et Tech. de Nantes)
+M. T. BARROU Examinateur (Opto )
M. V. MATHIS Examinateur (Dassault Electronique)




































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L’image de notre planète est d’ores et déjà assez étrange. Elle a acquis
une nouvelle peau, une aura, qui est tissée d’images et de pensées, de
mélodies, de signaux et de messages. Cela représente, indépendamment
même des contenus, une étape de la spiritualisation de la terre - oui, en
dépit même des contenus. Cela passe au-delà des nations et de leurs
langues, au-delà du mot et du signe, au-delà de guerre et paix.
L’étonnement que nous impose à présent cet astre, devenu si petit et
cependant brillant d’une nouvelle lumière, n’a rien à voir avec
l’optimisme du progrès, non plus qu’avec le pessimisme qui l’obombre. Il
est métahistorique, il ouvre des ...

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N° d'ordre : 2339 THESE présentée à L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE Spécialité : Electronique Par Vincent MAGNIN CONTRIBUTION A L’ETUDE ET A L’OPTIMISATION DE COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES Soutenue le 22 octobre 1998 devant la Commission d'Examen : M. E. CONSTANT Président (USTL) M. D. DECOSTER Directeur de Thèse (USTL) M. J. HARARI Co-directeur de Thèse (USTL) M. R. ALABEDRA Rapporteur (Université de Montpellier II) M. C. BOISROBERT Rapporteur (Fac. des Sc. et Tech. de Nantes) +M. T. BARROU Examinateur (Opto ) M. V. MATHIS Examinateur (Dassault Electronique) -2- L’image de notre planète est d’ores et déjà assez étrange. Elle a acquis une nouvelle peau, une aura, qui est tissée d’images et de pensées, de mélodies, de signaux et de messages. Cela représente, indépendamment même des contenus, une étape de la spiritualisation de la terre - oui, en dépit même des contenus. Cela passe au-delà des nations et de leurs langues, au-delà du mot et du signe, au-delà de guerre et paix. L’étonnement que nous impose à présent cet astre, devenu si petit et cependant brillant d’une nouvelle lumière, n’a rien à voir avec l’optimisme du progrès, non plus qu’avec le pessimisme qui l’obombre. Il est métahistorique, il ouvre des perspectives sur un monde situé par-delà l’Histoire. Le mur du Temps, 1959 Ernst Jünger (1895-1998) A ceux que j’aime. -3- Remerciements Ce travail a été effectué au Département Hyperfréquences et Semiconducteurs (DHS) de l'Institut d'Electronique et de Microélectronique du Nord (IEMN) de l'Université des Sciences et Technologies de Lille, dirigé successivement par Monsieur le Professeur E. Constant qui me fait l'honneur de présider la commission d'examen, puis par Monsieur le Professeur G. Salmer. Monsieur le Professeur D. Decoster m'a accueilli au sein de l'équipe Optoélectronique qu'il dirige, en me proposant le sujet de ce travail dont il a assuré la direction. Pour m'avoir fait bénéficier de ses compétences scientifiques, ses qualités humaines et sa constante disponibilité, je tiens particulièrement à lui exprimer ici ma profonde et amicale reconnaissance. J'ai été très touché par la confiance qu'il m'a témoignée tout au long de mon travail. La liberté qu’il m’a laissée m’a permis d’orienter ma recherche dans les directions qui me motivaient. Il est clair que la bonne ambiance et donc l’efficacité de son équipe reposent en grande partie sur ses qualités humaines. Monsieur J. Harari, Maître de Conférence à l'Université de Lille I, a également assuré la direction de ce travail. Sa disponibilité, ses compétences, son caractère rigoureux et exigeant, et ses qualités humaines ont permis la réussite de ce travail. Je le remercie chaleureusement et amicalement. Je tiens à exprimer mes plus sincères remerciements à Monsieur C. Boisrobert, Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Nantes, qui me fait l'honneur de juger ce travail et d'en être rapporteur. J'adresse également mes remerciements à Monsieur R. Alabedra, Professeur à l’Université de Montpellier II, pour avoir accepté de juger ce travail et d'en être rapporteur. +Monsieur T. Barrou, Docteur et Ingénieur à Opto (Alcatel Alsthom Recherche, Marcoussis), a accepté de participer à ce jury de thèse et je l'en remercie. Une partie de ce travail a été réalisée dans le cadre d’un contrat avec son équipe. Cette collaboration a été très agréable et très enrichissante. Je remercie vivement Monsieur V. Mathis, Docteur et Ingénieur chez Dassault Electronique, pour l'intérêt qu'il porte à ce travail en acceptant de participer à ce jury de thèse. Au cours de ces trois années, nombreuses ont été les personnes qui ont contribué à ce travail et je voudrais leur exprimer ici toute ma sympathie : Je tiens particulièrement à remercier Monsieur J. P. Vilcot, chargé de recherches au CNRS, pour sa disponibilité et pour l'ensemble de ses qualités tant scientifiques qu'humaines dont il m'a fait généreusement profiter. On ne saurait concevoir l’équipe sans son caractère jovial. Je remercie Monsieur J. P. Gouy pour sa disponibilité et ses compétences scientifiques. Il a réalisé -5- les épitaxies des travaux expérimentaux présentés en annexes. Je remercie également tout le personnel de la Centrale Technologique de l’IEMN, avec qui j’ai collaboré pendant ma thèse. Je remercie Monsieur C. Dalle pour les discussions que nous avons pu avoir concernant la mise au point des modèles électriques. Je remercie Monsieur J. Guanghai pour son aide, sa disponibilité et ses compétences en modélisation optique. Je remercie Monsieur F. Dessenne pour les données Monte Carlo qu’il m’a généreusement fournies. Je remercie Madame C. Gonzalez du CNET-France Telecom pour la collaboration que nous avons eue dans le cadre du projet européen ACTS/FRANS. Je tiens à remercier Jérôme Van De Casteele qui m’a initié à la salle blanche et aux phototransistors. Je remercie Ian Cayrefourcq (IEMN / Dassault Electronique) : le dernier chapitre de cette thèse est le résultat d’une collaboration qui fut très agréable et stimulante. Je voudrais remercier tous les membres actuels et passés de l'équipe Optoélectronique de l’IEMN pour l'ambiance amicale et agréable que j’ai goûtée durant toutes ces années, en commençant par les habitants de l’Igloo 352 : Cathy Sion , El Bekkay Houba, Ian Cayrefourcq , Asma, Bob Bellini, Sophie Maricot, Filipe Jorge, Samuel Dupont, Jef, Achour, Wandji Tchana, Saad Mezzourt, Manuel Fendler, Magdy, Régis Hamelin, Frédéric Journet, Omar Rabii... Mes remerciements vont également à Monsieur J. P. Dehorter qui a assuré avec soin la reproduction de ce manuscrit. Je ne saurais oublier dans ces remerciements, l'ensemble du personnel et des chercheurs du laboratoire, et tous ceux que j’ai oublié de citer, et qui j'espère, ne m'en tiendront pas rigueur. -6- Table des matières Introduction générale ................................................................................................. 11 Chapitre premier : outils de modélisation I-1. Méthode des Faisceaux Propagés (ou BPM).......................................................17 I-1.1. Equations vectorielles de propagation des ondes optiques........................................ 17 I-1.2. Principes de la BPM ......................................................................................................... 19 I-1.3. BPM aux différences finies à 2 dimensions (BPM-FD-2D)....................................... 21 I-1.4. Conditions de simulation................................................................................................. 23 I-1.5. Implémentation................................................................................................................. 24 I-1.6. Indices optiques ................................................................................................................ 25 I-2. Modèle Energie ....................................................................................................29 I-2.1. Equation de Transport de Boltzmann........................................................................... 29 I-2.2. Equations de base...... 30 I-2.3. Résolution numérique ...................................................................................................... 32 I-2.4. Conditions aux limites...................................................................................................... 34 I-2.5. Implémentation....... 35 I-2.6. Données matériaux........................................................................................................... 37 I-3. Interaction des modèles optique et électrique.....................................................42 I-4. Conclusion............................................................................................................44 I-5. Références ............................................................................................................45 Chapitre II : étude des phototransistors à hétérojonction InP/InGaAs pour applications hyperfréquences II-1. Fonctionnement de base du HPT ......................................................................50 II-2. Etat de l’art..........................................................................................................58 II-3. Composant de référence .....................................................................................62 II-4. Optimisation .......................................................................................................71 II-4.1. Amélioration des performances optiques.................................................................... 72 II-4.2. Amélioration des électriques ................................................................ 75 II-4.3. Limites du composant .................................................................................................... 79 II-5. Conclusion ..........................................................................................................79 II-6. Références...........................................................................................................83 Chapitre III : étude de photodiodes PIN-guide à très fort coefficient de couplage et grande tolérance d'alignement vertical III-1. Etude optique ....................................................................................................87 III-1.1. Structures alternées...... 89 III-1.2. « Lentilles de Fresnel » .................................................................................................. 92 III-1.3. Structures lentillées symétriques.................................................................................. 92 III-1.4. Structures lentillées asymétriques................................................................................ 98 -7- III-1.5. Récapitulatif.................................................................................................................. 100 III-2. Optimisation par méthode Monte Carlo......................................................... 101 III-2.1. Méthode Monte Carlo................................................................................................. 101 III-2.2. Optimisation d’une structure lentillée symétrique .................................................. 102 III-2.3. Optimisation d’une structure lentillée asymétrique ................................................ 104 III-3. Etude électrique d’une structure lentillée asymétrique..................................107 III-3.1. Outil et conditions de modélisation, composant simulé........................................ 107 III-3.2. Fréquence de coupure et influence de la tension.................................................... 109 III-3.3. Etude du transit ........................................................................................................... 111 III-3.4. Coefficient de réponse et influence de la tension................................................... 114 III-3.5. Conclusion de l’étude électrique................................................................................ 114 III-4. Conclusion....................................................................................................... 115 III-5. Références 117 Chapitre IV : optimisation de commutateurs optiques par Algorithme Génétique et BPM IV-1. L’optimisation : généralités ............................................................................. 121 IV-1.1. Variables du problème ................................................................................................ 122 IV-1.2. Espace de recherche....................................................................................................122 IV-1.3. Fonction d’adaptation, fonctions objectif................................................................ 123 IV-1.4. Méthodes d’optimisation ............................................................................................ 124 IV-2. Algorithmes Evolutionnaires et Algorithmes Génétiques...............................126 IV-2.1. Codage des variables129 IV-2.2. Genèse de la population ............................................................................................. 130 IV-2.3. Evaluation..................................................................................................................... 130 IV-2.4. Sélection – élimination 131 IV-2.5. Opérateur croisement ................................................................................................. 132 IV-2.6. Opérateur mutation..................................................................................................... 133 IV-2.7. Convergence et temps de calcul ................................................................................ 135 IV-3. Application aux commutateurs optiques TIR.................................................138 IV-3.1. Variables d’optimisation ............................................................................................. 139 IV-3.2. Espace de recherche....................................................................................................140 IV-3.3. Fonctions objectif... 140 IV-3.4. Résultats ........................................................................................................................ 142 IV-4. Application aux commutateurs cascade..........................................................143 IV-4.1. Variables d’optimisation . 144 IV-4.2. Espace de recherche.145 IV-4.3. Fonction d’adaptation................................................................................................. 145 IV-4.4. Résultats.......... 146 IV-4.5. Commutateur cascade monobloc.............................................................................. 148 IV-5. Conclusion .......................................................................................................148 IV-6. Références........................................................................................................ 151 Conclusion générale..................................................................................................155 -8- Annexe A : réalisation de 2T-HPT InP/InGaAs éclairés par le dessus V-1. Processus technologique................................................................................... 161 V-2. Caractérisation ..................................................................................................163 Annexe B : étude des contacts ohmiques Pt/Ti/Pt/Au sur p-In Ga As 0.47 0.53 VI-1. Généralités sur les contacts métal/semiconducteur .......................................167 VI-1.1. Interfaces....................................................................................................................... 167 VI-1.2. Interface métal/semiconducteur ............................................................................... 168 VI-1.3. Phénomènes de transport à l’interface ..................................................................... 169 VI-1.4. En résumé..................................................................................................................... 170 VI-2. Caractérisation des contacts ohmiques...........................................................170 VI-2.1. La résistance spécifique de contact ........................................................................... 170 VI-2.2. La TLM (pour Transmission Line Method)................................................................... 171 VI-3. Etat de l’art des contacts ohmiques sur p-InGaAs/InP .................................173 VI-4. Réalisation de contacts ohmiques Pt/Ti/Pt/Au ............................................175 VI-4.1. Couches épitaxiées....................................................................................................... 175 VI-4.2. Réalisation des échelles de résistances...................................................................... 175 VI-4.3. Caractérisation.............................................................................................................. 176 VI-5. Conclusion178 VI-6. Références........................................................................................................179 Annexe C : modélisation de HPT InP/InGaAs du CNET VII-1. Les composants.............................................................................................. 181 VII-2. Etude optique.................................................................................................182 VII-3. Modélisation électrique..................................................................................184 VII-4. Conclusion......................................................................................................185 Annexe D : publications scientifiques -9-