Rozprawy doktorskie na temat „Photodétecteur infrarouge”

Ce manuscrit de thèse porte sur le développement et l'étude de photodétecteurs à base de superréseaux (SR) InAs/GaSb pour des applications d'imagerie dans le domaine spectral du moyen infrarouge. Après avoir mis en avant les propriétés particulières du SR, principalement liées à sa périodicité, et présenté les différentes performances atteintes par ces dispositifs, le processus de fabrication des détecteurs est abordé. Les structures détectrices élaborées par épitaxie par jets moléculaires EJM ont été dans un premier temps caractérisées. Les mesures ont montré une grande qualité cristalline ainsi qu'une bonne homogénéité sur un wafer 2 pouces. A partir de ces structures, nous avons réalisé les dispositifs photodiodes. Afin de s'affranchir des courants de fuites de surfaces, qui pendant de nombreuses années ont limité les performances de tels détecteurs, nous avons mis au point un procédé technologique de fabrication des pixels, en mettant principalement l'accent sur l'étape de gravure chimique, permettant d'isoler et de dimensionner les diodes, ainsi que sur la protection des flancs après gravure. Cette étude nous a permis de placer nos composants à l'état de l'art mondial en termes de courant d'obscurité. Ensuite, grâce à une meilleure compréhension des phénomènes physiques liés à la génération des courants dans les diodes à SR et à des caractérisations fines (J-V, effet Hall, C-V, mesure de bruit électronique) réalisées sur les composants fabriqués, ce travail a abouti à la définition puis à la réalisation d'une structure améliorée pour le MWIR. Les mesures faites sur cette structure, dite asymétrique, montrent une diminution d'une décade des courants d'obscurité, ainsi qu'une amélioration significative du rendement quantique
This work relates to the development and the study of InAs/GaSb superlattices (SL) infrared photodetector for imaging application in mid-wave infrared domain. After having proposed the particular properties of SL, mainly related to its periodicity, and presented the various performances reached by these devices, the manufacturing process of the detectors is approached. The detecting structures were grown by molecular beam epitaxy were initially characterized. Measurements showed a great crystalline quality as well as a good homogeneity on a wafer 2 inches. From these structures, we carried out the devices photodiodes. In order to overcome the surface leakage currents, which during many years limited the performances of such detectors, we developed a technological process of manufacturing of the pixels, by placing mainly the emphasis on the stage of chemical etching as well as on the protection of the side walls after etching. This study enabled us to place our components at the world state of the art in terms of dark current. Then, thanks to a better comprehension of the physical phenomena dependant on the generation of the currents in the diodes with SR and on fine characterizations (J-V, Hall effect, C-V, measurement of electronic noise) carried out on the manufactured components, this work led to definition and realization of a improved structure for the MWIR. The measurements made on this structure, known as asymmetrical, showed a reduction of one order of magnitude of dark currents, as well as a significant improvement of quantum efficiency

Le monde des détecteurs infrarouge a été révolutionné, depuis le milieu des années 2000, par l'apparition de nouvelles structures photodétectrices dont les performances surclassent celles des photodiodes. Ces photodétecteurs ont permis le développement d'une nouvelle génération de caméras plus compactes, plus fiables et moins gourmandes en énergie. Cette thèse avait pour objectif l'étude de ces nouvelles structures photodétectrices haute performance à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge entre 3-5µm.Les performances d'un photodétecteur dépendent directement de la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci. Aussi, le matériau retenu pour faire office de couche d'absorption a donc dans un premier temps été finement caractérisé. Les mesures de durée de vie (DDV) des porteurs minoritaires dans le matériau se sont révélées être les plus pertinentes pour juger de la qualité des échantillons, et il est reporté une mesure de (DDV) à l'état de l'art pour une température de 80K. Le second volet de cette thèse portait sur le dimensionnement d'une structure photodétectrice à l'aide du logiciel de simulations numériques SILVACO. Une structure optimisée a été proposée puis a été fabriquée par épitaxie à jets moléculaires. A partir de celle-ci, des composants ont été réalisés en salle blanche par un procédé technologique standard. Le courant d'obscurité mesuré se situait une décade plus bas que le photocourant typique ce qui s'est avéré très encourageant pour le développement futur d'une filière basée sur ce type de structures. La dernière partie de ce manuscrit propose une piste pour faire varier la longueur d'onde de coupure de la nouvelle structure photodétectrive grâce à l'utilisation d'une couche absorbante à base de superréseaux antimoniures
Since the middle of the 2000's, new infrared photodetectors have been proposed that demonstrate better performances than photodiodes. This type of new detectors allowed the development of the compactness, reliability and energy consumption of the next generation of infrared cameras. The aim of this thesis is to study these new high performance photodetectors based on antimony semiconductors dedicated to the 3-5µm mid-infrared domain.Photodetectors performance strongly depends on the quality of its absorption material that has been characterized by diffenrent techniques. Lifetime measurements were identified as the most relevant criterion the evaluation of material quality. A state-of-the-art lifetime value has been reported at a temperature of 80K. Then, an optimized design of the photodetector has been determined using the TCAD SILVACO software. The photodetector structure has been grown by molecular beam epitaxy and devices were made by a standard fabrication process in clean room. The measured dark current was a decade lower than the typical photocurrent : this confirmed the potential of this new structure to be used as a high performance mid-infrared photodetector. Finaly, we demonstrate that the cut-off wavelength of the detector can be tuned using antimony-based superlattices

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la réalisation de photodétecteurs infrarouges à superréseaux (SR), constitués d'hétérostructures de semiconducteurs InAs/GaSb. Ces superréseaux InAs/GaSb sont considérés, depuis le milieu des années 2000, comme des structures pouvant satisfaire les besoins de la prochaine génération de photodétecteurs infrarouges (IR). À l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université Montpellier 2, nous maîtrisons la réalisation des structures périodiques à SR par Epitaxie par Jets Moléculaires sur substrat GaSb et la fabrication technologique des photodiodes pin. Ces composants présentent des performances à l'état de l'art mondial dans le MWIR.L'objectif de mon travail de thèse, financé par la DGA et en collaboration étroite avec l'ONERA, était de contribuer à une meilleure compréhension de la physique du composant et d'améliorer les performances de cette nouvelle filière de détecteur IR. Cette étude s'effectua sur des monoélements (pixels), éléments de base du système imageur IR. En comparant trois structures InAs/GaSb différentes, conçus pour la même gamme spectrale de détection dans le MWIR mais de composition et d'épaisseur différentes (riche en GaSb, symétrique et riche en InAs), nous avons exploité la flexibilité offerte par cette technologie de détecteurs. Cette approche nous a permis de mettre en évidence la dépendance des performances avec la proportion en GaSb. Les résultats obtenus sur les structures asymétriques plus riches en InAs sont à l'état de l'art pour des photodiodes : densité de courant d'obscurité de 5x 10-8 A/cm2 à 77K pour une polarisation inverse de 50 mV. En complément, nous avons réalisé, en collaboration avec le CEA-LETI, la première matrice à SR française. Ces résultats ont contribué à une meilleure compréhension des détecteurs à superréseaux et esquissent des voies d'optimisation prometteuses
This thesis focuses on the study and implementation of infrared photodetectors with InAs/GaSb superlattices (SL). Since the mid-2000s, InAs/GaSb SL are considered as new technology that can meet the criteria of the next generation of infrared (IR) photodetectors. At the Institut d'Electronique du Sud (IES) of the University of Montpellier 2, we control the fabrication of SL periodic structures by Molecular Beam Epitaxy on GaSb substrate and the technological process of pin photodiodes. These devices have performances at the state of the art in the midwave infrared spectral domain.The aim of my thesis work, funded by the DGA and in close collaboration with ONERA, was to contribute to a better understanding of the device physics and improve the performance of this IR detector. This study was carried out on mono-element (pixel), the basic elements of IR imaging system. Comparing three different InAs/GaSb structures, designed for the same detection spectral range (MWIR) but different composition and thickness (GaSb-rich, symmetric and InAs-rich), we used the flexibility offered by this technology detectors. This approach has allowed us to highlight the dependence of performances with the proportion on GaSb in the SL structure. The results obtained on InAs-rich asymmetric photodiodes are at the state of the art: dark current density of 5×10-8 A/cm2 at 77K for a reverse bias of 50 mV. In addition, the first French SL Focal Plane Array has been fabricated and tested. These results contributed to a better understanding of superlattice detectors and outline ways of promising optimization

Le monde des détecteurs infrarouge a été révolutionné, depuis le milieu des années 2000, par l'apparition de nouvelles structures photodétectrices dont les performances surclassent celles des photodiodes. Ces photodétecteurs ont permis le développement d'une nouvelle génération de caméras plus compactes, plus fiables et moins gourmandes en énergie. Cette thèse avait pour objectif l'étude de ces nouvelles structures photodétectrices haute performance à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge entre 3-5µm.Les performances d'un photodétecteur dépendent directement de la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci. Aussi, le matériau retenu pour faire office de couche d'absorption a donc dans un premier temps été finement caractérisé. Les mesures de durée de vie (DDV) des porteurs minoritaires dans le matériau se sont révélées être les plus pertinentes pour juger de la qualité des échantillons, et il est reporté une mesure de (DDV) à l'état de l'art pour une température de 80K. Le second volet de cette thèse portait sur le dimensionnement d'une structure photodétectrice à l'aide du logiciel de simulations numériques SILVACO. Une structure optimisée a été proposée puis a été fabriquée par épitaxie à jets moléculaires. A partir de celle-ci, des composants ont été réalisés en salle blanche par un procédé technologique standard. Le courant d'obscurité mesuré se situait une décade plus bas que le photocourant typique ce qui s'est avéré très encourageant pour le développement futur d'une filière basée sur ce type de structures. La dernière partie de ce manuscrit propose une piste pour faire varier la longueur d'onde de coupure de la nouvelle structure photodétectrive grâce à l'utilisation d'une couche absorbante à base de superréseaux antimoniures
Since the middle of the 2000's, new infrared photodetectors have been proposed that demonstrate better performances than photodiodes. This type of new detectors allowed the development of the compactness, reliability and energy consumption of the next generation of infrared cameras. The aim of this thesis is to study these new high performance photodetectors based on antimony semiconductors dedicated to the 3-5µm mid-infrared domain.Photodetectors performance strongly depends on the quality of its absorption material that has been characterized by diffenrent techniques. Lifetime measurements were identified as the most relevant criterion the evaluation of material quality. A state-of-the-art lifetime value has been reported at a temperature of 80K. Then, an optimized design of the photodetector has been determined using the TCAD SILVACO software. The photodetector structure has been grown by molecular beam epitaxy and devices were made by a standard fabrication process in clean room. The measured dark current was a decade lower than the typical photocurrent : this confirmed the potential of this new structure to be used as a high performance mid-infrared photodetector. Finaly, we demonstrate that the cut-off wavelength of the detector can be tuned using antimony-based superlattices

Ce travail a consiste a mettre en place les outils de calcul necessaires pour evaluer les performances d'un photodetecteur a avalanche a absorption et multiplication separees (sam-apd) permettant la photodetection dans la gamme de longueurs d'onde autour de 2,5 um. On precise les parametres technologiques necessaires ainsi que les performances du photodetecteur realisable actuellement. L'influence des principaux parametres est mise en evidence

Dans le domaine de la photodétection infrarouge (IR) haute performance refroidie, le photodétecteur à superréseaux (SR) InAs/GaSb est une filière émergente qui peut compléter les technologies déjà établies. Grâce à des années de recherche, l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université de Montpellier a développé une expertise sur la croissance du matériau SR InAs/GaSb par épitaxie par jets moléculaires et sur la fabrication technologique des photodiodes pin dont les performances sont à l'état de l'art mondial dans le moyen IR (3-5µm). Au cours de cette thèse, nous avons étudié deux périodes différentes de SR comme zone active de photodiodes pin ayant une longueur d'onde de coupure à 5 µm à 80K : une riche en InAs (InAs-rich) et l'autre riche en GaSb (GaSb-rich). Ces structures SR présentent des caractéristiques électriques et électro-optiques très différentes. Notamment, les densités de courant de la structure InAs-rich sont très bonnes, de l'ordre de 10-8A/cm2 à 80K, alors que celles de la structure GaSb-rich sont deux décades plus élevées. L'objectif de cette thèse était donc d'analyser les performances de ces photodiodes. Pour cela, nous avons développé une méthode de simulation avec l'outil TCAD SILVACO. Appliquée tout d'abord aux structures InAs-rich, nous avons mis en évidence que ces diodes sont limitées à basse température (typiquement < 120K) par le courant de génération-recombinaison et/ou par le courant tunnel assisté par pièges. La durée de vie extraite de la simulation suit une variation en T-1/2, démontrant que les mécanismes limitant les photodiodes est la génération-recombinaison SRH. Appliquée aux structures GaSb-rich, l'approche SILVACO ne peut expliquer les résultats en courant. Nous démontrons que ces résultats sont fortement liés à la présence du champ électrique dans la zone d'absorption du composant. Cela génère à faible polarisation, un fort courant tunnel, au travers des états Wannier-Stark localisés, qui pénalise fortement le courant d'obscurité et cela malgré des améliorations obtenues au niveau du matériau. Pour finir, nous établissons des règles de dimensionnement de structures à barrière et nous proposons une structure à SR pour le lointain infrarouge
Among the high performance cooled infrared (IR) photodetector systems, the InAs/GaSb superlattice (SL) is an emerging material which may complement the currently technologies already established. Over the last 10 years, the Institut d'Electronique du Sud (IES) of the University of Montpellier has developed skills in both the growth of SL materials by molecular beam epitaxy and the process fabrication of pin photodiodes. The photodiode fabricated by the IES group are at the state of the art in the mid IR (3 – 5 μm). During this thesis, we studied two structures with different SL periods for the pin active zone showing the same cut-off wavelength of 5 μm at 80K: the structure called InAs-rich structure presents InAs layer thicker than the GaSb layer in each SL period while this configuration is reversed in the case of the GaSb-rich structure. These SL structures have very different electrical and electro-optical characteristics. In particular, the current densities of the InAs-rich structure are very good, about 10-8 A/cm2 at 80K - two orders of magnitude greater than that of GaSb-rich. The aim of this thesis work was therefore to analyze the performance of these photodiodes. For this purpose, we developed a simulation method with the SILVACO TCAD tool. Using this tool, we found that the InAs-rich diodes are limited at low temperatures (typically under 120K) by generation recombination and/or by assisted tunneling currents. The lifetimes extracted from the simulation follows the T-1/2 law, which demonstrates that the limiting mechanism is SRH recombination. However, we found that we could not study the current densities of the GaSb-rich structure using the same procedure. We demonstrate that these results are strongly related to the presence of the electric field in the absorption zone of the device. This electric field generates, at low biases, a strong tunneling current through localized Wannier-Stark states, which strongly limits the overall current despite material improvements. Finally, we define the design conditions to achieve an optimized SL barrier structure and propose a design for SL structures targeting the long wavelength domain

Malgré les remarquables performances démontrées par les photo-détecteurs quantiques pour l'infrarouge, les progrès dans cette filière stagnent. La principale limitation est due au bruit lié à leur courant d'obscurité, qui impose, aux plus grandes longueurs d'onde, un fonctionnement à des températures cryogéniques. Ce travail de thèse a pour principal objectif de dépasser cette limite intrinsèque en combinant des structures photo-détectrices innovantes et des nano-résonateurs optiques. La réduction par plus d'un ordre de grandeur de l'épaisseur de la zone absorbante, modifie considérablement les propriétés optiques et électroniques de la structure, imposant de revisiter entièrement ses modes de fonctionnement. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à valider expérimentalement l'apport de la nano-photonique à l'amélioration des performances des photodiodes InGaAs.La première partie est dédiée à l'étude de photodiodes InGaAs à double hétérojonction dans le but de réduire à la fois le courant d'obscurité et l'épaisseur de la structure pour la rendre compatible à celle des nano-résonateurs optiques. La seconde partie est dévolue à la conception, la fabrication et la caractérisation de photo-détecteurs InGaAs nano-structurés de type résonateurs de mode guidé. Dans la troisième partie, les remarquables propriétés de ces photo-détecteurs sont étudiées dans un contexte de mini-matrices, premier pas vers la réalisation de caméras.Les concepts développés durant cette thèse et les résultats expérimentaux obtenus, ouvrent la voie vers une nouvelle génération de photo-détecteurs pour l'imagerie infrarouge
Despite the outstanding performances reached by today's infrared quantum photo-detectors, progresses have been stagnating for years. The main limitation is due to the noise generated by the dark current, which requires, cooling down the devices at a cryogenic temperature for the largest wavelengths. The main objective of this thesis is to propose new concepts for overcoming these fundamental limits. By combining innovative photo-detector structures and optical nano-resonators, new structures are proposed. By reducing by more than order of magnitude the thickness of the absorbing layer, optical and electrical properties of the structure are deeply modified. As a result operating modes have to be entirely revisited. In this context, the purpose of this thesis is to characterize the behaviors, to find new compromise and to experimentally validate the nano-photonics potential to improve the performances of InGaAs photodiodes.The first part is dedicated to the study of double heterojunction InGaAs photodiodes in order to reduce both the dark current and the thickness of the structure to make it compatible with that of optical nano-resonators. The second part is devoted to the design, the fabrication and the characterization of guided mode resonant nanostructured InGaAs photo-detectors. In the third part, the remarkable properties of these photo-detectors are studied in the context of mini-arrays, the first step towards cameras realization.The concepts developed during this thesis and experimental results, pave the way to a new generation of infrared photodetector

Cette thèse présente l’étude d’une quinzaine de matériaux semi-conducteurs organiques et leur incorporation au sein de photodétecteurs organiques (OPDs) dans le but de détecter la lumière dans le proche infrarouge. En premier lieu, nous avons décrit l’étude bibliographique et le fonctionnement de ces OPDs. En suivant, nous montrons un bref aperçu des propriétés optiques et électroniques de tous ces matériaux ; ainsi que notre sélection de matériaux pour la suite de cette étude. Ensuite, nous décrivons l’optimisation de ces matériaux en nous basant sur un protocole de référence préétabli pour des photodétecteurs à base de PCDTBT. L’optimisation est effectuée à plusieurs niveaux. Tout d’abord, le choix du couple Donneur:Accepteur présent dans la couche active est effectué. Par la suite, nous avons défini l’architecture des OPDs en ce qui concerne les électrodes et les couches interfaciales. Une optimisation plus poussée de la couche active au niveau du ratio D:A, du solvant, des additifs et des recuits a été mise en œuvre. Grâce à ces optimisations, nous obtenons des OPDs sensibles à 850 nm avec un ratio On/Off supérieur à 4.103 et une sensibilité atteignant 0,15 A/W. Nous remarquons un fort impact de la séparation de phase au sein de la couche active sur la sensibilité. Finalement, nous présentons l’étude d’un couple D:A entièrement composé de matériaux du projet
This thesis shows the study of different organic semiconductors and their use in organic photodetectors (OPDs). Their goal is the detection of light in the near infrared region. First, we presented a bibliographic study and a description of the working principles of OPDs. Then, we show a brief overlook of the optical and electrical properties of these materials and our selection of materials for the following study. In the main part of the study, we described the optimisation of these materials based on a reference for the fabrication and characterization process previously used for PCDTBT based OPDs. The optimization is done in multiple steps. Firstly, we decided the D:A combination present in the active layer. Then, we defined the OPDs architecture with respect to the electrodes and interfacial layers. Further optimization of the active layer in terms of D:A ratio, solvents, additives and annealing is presented. As a result, we obtained OPDs detecting light at 850 nm. The On/Off ratio reach values above 4.103 and responsivity as high as 0,15 A/W. We observed a strong impact of the phase separation in the bulk on responsivity. Finally, we described OPDs with an active layer composed of materials originating only from the project

La conception de circuits de lecture CMOS destinés aux plans focaux de matrices de photodétecteurs suit l'évolution constante des technologies. La capacité d'intégration, à surface de Silicium donnée, tend donc à augmenter, ce qui permet un design de circuits toujours plus complexe. Une partie ou toute l'électronique de proximité du système peut être ramenée au sein du plan focal, afin de rendre les équipements plus compacts, moins lourds, moins chers. . . Une des premières fonctions à inclure est la conversion Analogique- Numérique. La principale contrainte d'un tel convertisseur est la consommation et une précision de 14 à 16 bits. Nous présentons ici une architecture originale utilisant un convertisseur par colonne et un par pixel. Le convertisseur colonne est un convertisseur à approximations successives. Celui-ci a été modélisé mathématiquement en tenant compte de différents effets parasites (charges injectées, gain fini, capacités parasites, dispersions technologiques. . . ), réalisé en technologie CMOS O. 5 mM, et caractérisé. Une précision de 6. 5 bits a pu être mesurée. Le convertisseur pixel est de type Sigma-Delta. Il a lui aussi été modélisé, simulé. L'étude de cette architecture hybride entre-ouvre une nouvelle voie de recherche à approfondir sur la construction de nouveaux circuits de lecture élaborés
The design of CMOS integrated readout circuits for infrared focal plane arrays follows the constant evolution of technologies. The integration capacity , at a given Silicon surface, thus tends to increase, which allows more and more complex design of circuits. A part or all the proximity electronics of the system can be brought back in the focal plane, in order to make the equipment more compact, less heavy, less expensive. . . One of the of the functions to be included is the Analog-Digital conversion. The principal constraints of such converter is the power consumption combine with an accuracy of 14 to 16 bits. We present an original architecture using a converter by column and an another one by pixel. The converter column is a converter built around the classical successive approximation architecture. It was modeled mathematically by taking into account various parasitic effects (charge injection, limited gain, parasitic capacitors, technological dispersions. . . ). It has been designed, fabricated in a standard 0. 5 mM MOS technology, and characterized. An accuracy of 6. 5 bits had been measured. The pixel converter is a type of Sigma-Delta converter. It has also modeled and simulated. The study of this hybrid architecture opens a new way of research to build new elaborated integrated readout circuits

Les nanocristaux dont la dimension est inférieure à leur rayon de Bohr excitonique peuvent fournir des propriétés optoélectroniques accordables avec la taille. Cela permet d’obtenir des propriétés électroniques à façon. En particulier, le développement de la synthèse par voie colloïdale des nanocristaux en fait des briques élémentaires prometteuses pour des applications optoélectroniques à bas coût. Ma thèse cible deux aspects des dispositifs à base de nanocristaux: les photodétecteurs infrarouges et les diodes électroluminescentes (LED). Ma thèse est d'abord centrée sur la photodétection infrarouge sans métaux lourds utilisant soit la transition intrabande d'Ag2Se, soit des nanocristaux plasmoniques ITO. J'ai étudié leurs propriétés optiques et de transport ainsi que leur spectre électronique. J’ai ensuite testé leurs performances pour la photodétection infrarouge. Les performances obtenues sont mises en perspective par rapport à leurs homologues contenant des métaux lourds. Dans une seconde partie de ma thèse, je me focalise sur les LEDs à base de nanocristaux avec des longueurs d’onde visées à la fois dans le visible et le proche infrarouge. La LED visible conçue à l'aide de nanoplaquettes CdSe/CdZnS montre une faible tension de fonctionnement et la durée de vie la plus longue obtenue pour les LED à base de nanoplaquettes. Ensuite, cette LED est couplée à un photodétecteur PbS maison pour réaliser pour la première fois une communication de type LiFi tout nanocristal. Pour les LED proche infrarouge, j’ai utilisé HgTe comme matériau optiquement actif. En formant une hétérojonction à partir de HgTe / ZnO, une LED infrarouge lumineuse capable d'imagerie active est obtenue
Nanocrystals with a dimension below their excitonic Bohr radius can provide size-tunable optoelectronic properties, enabling on-demand tailoring of properties for specific applications. Especially, the advance of wet chemistry synthesis of colloidal nanocrystals makes them promising building blocks for the next-generation solution-processible low-cost optoelectronics such as light emitting, sensing, and harvesting. My thesis targets two aspects of the nanocrystal-based devices: infrared (IR) photodetector and light emitting diode (LED). My thesis is first focused on the heavy-metal-free IR photodetection using the intraband transition of self-doped Ag2Se or the plasmonic resonance of remotely doped ITO (tin doped indium oxide) nanocrystals. Before integrating them to photoconductive devices, I study their optical and transport properties as well as their energy spectra. I then test their IR photodetection performance and rationalize their weak performance compared with their heavy metal counterparts. In the second part of my thesis, I advance to the all-solution nanocrystal-based LEDs in the visible and SWIR, with an emphasis on their practical applications. The designed visible LED using CdSe/CdZnS nanoplatelets (NPLs) shows the lowest turn-on voltage and the longest lifetime for NPL-based LED. I also provide insights on the origin of efficiency droop. Then, this LED is coupled with a homemade PbS broadband photodetector to achieve, for the first time, an all-nanocrystal based LiFi-like communication setup. For SWIR LEDs, HgTe is used as IR emitter. By forming a HgTe/ZnO bulk heterojunction in the emitting layer, a bright SWIR LED capable of active imaging is obtained

Le developpement de photodetecteurs a bande d'impuretes bloquee (bib) a base de silicium dope antimoine a ete entrepris pour couvrir la gamme spectrale centree a 30 m. Ces dispositifs en couches minces epitaxiees fonctionnent aux environs de 10 k. Ils comportent entre deux plans de contacts ohmiques une couche photoactive adjacente a une couche tres pure ayant pour role de bloquer le courant par sauts entre impuretes de la couche active fortement dopee. La technologie bib necessite un niveau de compensation de l'ordre de 10#-#5 dans la couche active, une purete d'environ 10#1#2 cm#-#3 dans la couche pure et un contact frontal semi-transparent. Les couches pure et photoactive ont ete realisees par epitaxie cvd et le contact frontal par implantation ionique dans la couche pure et recuit thermique rapide. Une instrumentation specifique de caracterisation electrique et optique a ete mise en place pour l'etude physique des dispositifs. La caracterisation a demontre que les niveaux de dopage, de compensation et de purete requis sont atteints. La photoconductivite infrarouge a revele par ailleurs un dopage au phosphore non intentionnel de la couche active. L'extension des reponses spectrales vers les grandes longueurs d'ondes est interpretee sur la base de l'effet poole-frenkel et de l'ionisation thermique ou par impact d'electrons chauds des etats localises photoexcites. La modelisation de la sensibilite par un mecanisme d'ionisation par impact conduit a proposer des valeurs de champ electrique seuil et de section efficace d'ionisation par impact pour l'impurete antimoine. Des mesures de magneto-resistance jusqu'a 40 t donnent une valeur indicative des parametres de transport dans la bande d'impuretes. Une efficacite quantique de detectivite de 20% mesuree sous un flux de photons de 60 nw a une temperature de 10 k a ete obtenue pour une concentration optimale d'antimoine de 5. 10#1#7 at/cm#3. Ces performances sont les meilleures dans la gamme spectrale visee et conviennent au projet spatial safire de spectroscopie de la haute atmosphere

Les photodétecteurs infrarouge à multipuits quantiques (QWIP : Quantum Well Infrared Photodetector) sont des composants pluridisciplinaires : science des matériaux nécessaire à l'épitaxie, transport électronique dans ces couches semi-conductrices, modélisation électromagnétique du couplage optique, contrôle des process de salle blanche. Il est impératif de maîtriser chacune de ces composantes afin d'exploiter cette technologie pour des applications d'imagerie infrarouge. L'objectif de cette thèse est de permettre l'élargissement de la gamme spectrale accessible aux QWIPs. Pour ce faire, nous avons étudié les points communs et les spécificités de la physique de ce composant entre 3 et 20 µm. En particulier, nous avons traité de cette problématique dans les domaines que sont le transport électronique et l'aspect matériau. Après une introduction générale sur l'imagerie infrarouge et sur le composant QWIP, nous présentons les résultats d'une étude structurale et chimique des hétérostructures AlGaAs / InGaAs. Ces alliages constituent le cœur du détecteur, c'est pourquoi l'extension des longueurs d'onde de détection passe en premier lieu par le contrôle et donc la connaissance, de ces matériaux. La suite de ce travail de thèse est consacrée à l'étude des différents régimes de transport électronique dans les QWIPs : régime tunnel séquentiel résonant, régime de fort champ, régime thermoïonique et régime optique. Bien que les différents modes de transport soient observables sur l'ensemble des échantillons, certains d'entre eux ne sont dominants que pour quelques applications spécifiques. Enfin, nous montrons que la maîtrise des différentes étapes de conception et de fabrication nous permet d'optimiser les QWIPs dans la bande 3-5 µm pour des besoins de détection terrestre et de réaliser des QWIPs large bande dans la gamme 10-20 µm pour des applications spatiales.

Les QWIPs (Quantum Well Infrared Photodetectors) sont des composants pluridisciplinaires : science des matériaux nécessaire à l'épitaxie, transport électronique dans ces couches semi-conductrices, modélisation électromagnétique du couplage optique. Il est impératif de maîtriser chacune de ces composantes afin d'exploiter cette technologie pour de l'imagerie infrarouge. L'objectif de cette thèse est de permettre l'élargissement de la gamme spectrale accessible aux QWIPs. Nous avons étudié les points communs et les spécificités de la physique de ce composant entre 3 et 20 μm. En particulier, nous avons traité de cette problématique dans les domaines que sont le transport électronique et l'aspect matériau. Après une introduction générale sur l'imagerie infrarouge et sur le composant QWIP, nous présentons les résultats d'une étude structurale et chimique des hétérostructures AlGaAs / InGaAs. Ces alliages constituent le cœur du détecteur, c'est pourquoi l'extension des longueurs d'onde de détection passe en premier lieu par le contrôle et donc la connaissance, de ces matériaux. La suite de ce travail de thèse est consacrée à l'étude des différents régimes de transport électronique dans les QWIPs : régime tunnel séquentiel résonant, régime de fort champ et régime thermoïonique. Bien que les différents modes de transport soient observables sur l'ensemble des échantillons, certains d'entre eux ne sont dominants que pour quelques applications spécifiques. Enfin, nous montrons que la maîtrise des différentes étapes de conception et de fabrication nous permet de réaliser des détecteurs dans les bandes [3-5 μm] et [10-20 μm] pour les besoins des applications terrestres et spatiales
The QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) is a multidisciplinary component: material science for thegrowth, electronic transport through the active layer and electromagnetic modeling of the optical coupling. It is necessary to control each element in order to make this technology usable for infrared imagery. This thesis aims at expanding the spectral range of QWIPs. We study the common physics as well as the specificities of this component between 3 and 20 μm. After introducing the basic features of infrared imaging and the QWIP itself, we expose the results of a structural and chemical study of AlGaAs/InGaAs heterostructures. This alloy constitutes the basis of the detector, which explains why the extension of the spectral range requires the control, and so the knowledge of the material. Then, this thesis focus on the different electronic transport in QWIPs: sequential resonant tunneling, high field and thermionic regimes. Although these behaviors are observed in every sample, some of them are limiting thé transport for few specific operating conditions. Finally, thanks to the control of the various stages of design and manufacturing, we present several detectors for terrestrial and space applications in the spectral ranges [3-5 μm] and [10-20 μm]

L'objectif de ce travail etait la conception et la realisation, en exploitant la filiere inp, de photodetecteurs infrarouges a microcavite resonnante, fonctionnant dans la gamme spectrale 1,7 - 2,2 m et dont la zone active est constituee d'un puits quantique d'ingaas contraint en compression. Cette approche ouvre la possibilite de nombreuses applications dans les domaines de l'analyse spectroscopique et de l'imagerie hyperspectrale, grace a une selectivite spectrale integree et a la condition qu'une fonctionnalite d'accordabilite en longueur d'onde lui soit associee. Des dispositifs demonstrateurs, bases sur une cavite fabry-perot formee avec des miroirs de bragg si/sio 2 et in 0. 5 3ga 0. 4 7as/inp, ont ete realises. Une selectivite spectrale de 9 nm, un rendement quantique de 18% et des courants d'obscurite inferieurs a 10 6 a/cm 2 a la temperature ambiante ont ete obtenus pour un fonctionnement a 2. 06 m. Ces performances demontrent la potentialite de ce concept pour la realisation de systemes de photodetection qui fonctionneront dans le proche infrarouge sans refroidissement. Une etude a ete menee sur la croissance par epitaxie par jets moleculaires des puits quantiques contraints d'ingaas, utilises comme milieu actif du photodetecteur. Il s'est agi d'optimiser les conditions de croissance permettant d'atteindre une longueur d'onde de fonctionnement la plus grande possible tout en gardant une qualite optoelectronique du materiau suffisante. Une procedure de croissance du puits contraint a partir de super-reseaux de monocouches fractionnaires (inas) n(gaas) 0. 2 5 a ete developpee. Cette procedure a permis d'ameliorer la qualite structurale des puits contraints d'ingaas et de repousser la longueur d'onde de fonctionnement jusqu'a 2,35 m. Nous avons evalue theoriquement la faisabilite de photodetecteurs accordables en longueur d'onde dont la fabrication sera basee sur l'exploitation de techniques de micro-usinage de surface (configuration d'une cavite de type air/semiconducteur deformable electro-mecaniquement). Les simulations optiques et mecaniques ont montre que des dispositifs, avec une plage d'accordabilite de l'ordre de 200 nm pour des tensions de commande inferieures a 15 v, pouvaient etre realises. Cependant, la realisation de ces micro-spectrometres necessitera une maitrise des contraintes residuelles dans les couches et une optimisation mecanique de la forme des miroirs suspendus permettant de reduire les deformations indesirables en cours d'actuation.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation de photodétecteurs à barrière à base de superréseaux type-2 (T2SL) InAs/GaSb pour le lointain infrarouge (LWIR etVLWIR). Les propriétés principales de ce matériau ont été décrites ainsi que les avantages qu’il offre pour la détection LWIR.L’absorbeur en superréseau InAs/GaSb a été implémenté dans une structure à barrière,dont la couche barrière est composée d’un superréseau InAs/AlSb et la couche contact d’un superréseau InAs/GaSb. Les performances de la structure proposée ont été simulées et analysées à l’aide du logiciel commercial Silvaco ATLAS. La structureest épitaxiée par épitaxie par jets moléculaires (EJM) and les échantillons ont montré une bonne homogénéité et qualité cristalline sur un wafer 2 pouces, comme démontré par des mesures de diffraction de rayons X à haute résolution, microscopie à force atomique et photoluminescence. Par la suite, des dispositifs LWIR et VLWIR ont été réalisés par un processus de photolithographie développé au sein de l’IES.Des caractérisations électriques et électro-optiques ont ensuite été menées sur les dispositifs fabriqués. Elles comprenaient des mesures J(V), C(V) et réponse spectrale non calibrée. La longueur d’onde de coupure mesurée été proche des valeurs visées, avec un courant d’obscurité à l’état de l’art des détecteurs infrarouge T2SL. Néanmoins, les premiers détecteurs fabriqués ont montré une tension de fonctionnement élevée et pour cette raison, une nouvelle structure a été proposée. De nouveaux échantillons ayant la structure optimisée ont été réalisés, dédiés à la fabrication des matrices LWIR et VLWIR
This PhD thesis reports the development of InAs/GaSb type-2 superlattice (T2SL)-based barrier photodetectors operating in the long-wave (LWIR) and very long-waveinfrared (VLWIR). The main properties of this material were described as well asthe advantages it offers for LWIR detection.The InAs/GaSb T2SL absorber was implemented in a barrier structure with anInAs/AlSb SL barrier layer and an InAs/GaSb contact layer. The performance of theproposed structure was analyzed using the commercial software Silvaco ATLAS. Thestructure was grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the samples showedgood crystalline quality and homogeneity across the 2-inch wafer as determined byhigh-resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy and photoluminescencemeasurements. LWIR and VLWIR devices were fabricated by a photolithographybasedprocedure developped at IES.Fabricated devices were characterized electrically and electro-optically. The measurements included J(V), C(V) and non-calibrated photoresponse. The devices exhibited cut-off wavelengths close to their targeted values with dark current levels at the state of the art of T2SL IR detectors. However, the first devices suffered from a high operating bias and for that reason, a new optimized structure was designed. New wafers were grown based on the optimized design dedicated to LWIR and VLWIR focal plane array fabrication

Ce travail de thèse porte sur l'élaboration, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, et la caractérisation de superréseaux InAs/GaSb (SR) pour la réalisation de photodétecteurs infrarouges opérant dans la gamme de longueur d'onde 3-5 μm à température ambiante (RT). La première partie de ce mémoire présente les particularités de la détection infrarouge, ainsi qu'un état de l'art des différentes filières de détecteurs. Nous mettons également en exergue les propriétés des photodétecteurs infrarouges à SR (SLIPs) faisant de ce système de matériaux, un candidat très prometteur pour s'imposer dans la prochaine génération de caméras infrarouges. La seconde partie expose la croissance par EJM des SR sur substrat GaSb. La compensation de la contrainte par insertion d'une couche d'InSb à l'interface GaSb sur InAs a été étudiée, ainsi que l'influence de divers paramètres de croissance (température de croissance, pression équivalente des éléments V, ...). Les échantillons ont été caractérisés , et les mesures ont confirmé une grande qualité cristalline, et des SR épais (jusqu'à 2.5 μm) ont été réalisés. Enfin, nous avons élaboré des SLIPs p-i-n avec une longueur d'onde de coupure de 5.6 μm dont les caractérisations sont présentées dans la dernière partie. Ces composants à géométrie mesa ont fonctionné à RT avec un R0A~2-4.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 80 mA/W à 0 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 4.107 cmHz0.5/W. Une légère amélioration a été obtenue en insérant une couche d' Al0.4GaSb entre la couche buffer et le SR: un R0A~6.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 300 mA/W à -0.4 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 7.107 cmHz0.5/W.

L'infrarouge à ondes courtes (SWIR) désigne généralement les photons dans la plage de longueurs d'onde allant de 1 à 3 micromètres. Les applications dans cette fenêtre de longueur d'onde exploitent divers avantages tels qu’une grande longueur de pénétration dans le tissu biologique, la couverture spectrale pour la vision nocturne atmosphérique et l'énergie d'excitation caractéristique de certains modes de vibration moléculaire. Les photodétecteurs SWIR sont donc les composants technologiques essentiels pour la communication optique, la détection de gaz dans l’environnement, le biodiagnostic et la vision nocturne passive. Les technologies SWIR actuelles reposent principalement sur des semi-conducteurs composés à faible bande interdite, tels que InGaAs, InSb, PbS et HgCdTe. Alors que les photodétecteurs SWIR classiques présentent une excellente détectivité, ils sont coûteux (en raison de la croissance requise par l'épitaxie) et / ou présentent un risque environnemental car impliquant des éléments hautement toxiques. Par conséquent, des efforts continus en matière de recherche et de développement concernant des systèmes de matériaux alternatifs et des méthodes de fabrication permettant d'élargir le champ des applications de la photodétection SWIR sont en cours. Ces dernières années, de nombreux nouveaux matériaux ont été proposés, notamment les nanocristaux de phosphore noir, de graphène, de MoS2 et de PbS colloïdal. Ils sont très prometteurs en termes de fonctionnement à des fréquences de modulation élevées et avec une excellente sensibilité. Cependant, certains inconvénients les éloignent toujours du marché: processus de production difficile (faible reproductibilité), non-adaptabilité à la fabrication à grande échelle, préoccupations de sécurité lors de la production en usine (en raison de l’utilisation d’éléments hautement toxiques). Alternativement, les nanoparticules colloïdales traitées en solution, telles que les nanorods d’or colloïdal (Au NR) et les nanoparticules fonctionnant par up-conversion (UCNP), présentent des caractéristiques intéressantes permettant de surmonter ces inconvénients: capacité de synthèse et de production à grande échelle et à faible coût, haute stabilité, faible toxicité biologique et bonne absorption optique des photons SWIR. Cette thèse a pour objectif d'appliquer ces nanoparticules colloïdales à la fabrication de photodétecteurs SWIR et d’étudiere des possibilités d’application dans le domaine de la photodétection. Quelques photodétecteurs SWIR (Au-NRs / Thermistance, photodétecteur Au-NRs / Pt et photodétecteur UCNPs / Polymers) ont été développés dans ce travail, montrant une sensibilité élevées. De plus, la fabrication de ces dispositifs est un procédé peu coûteux et évolutif vers la production de masse au niveau de la fois à la synthèse des matériaux et de la fabrication des composants, et ouvre une nouvelle voie sur le marché de la prochaine génération de photodétecteurs
Short-wave infrared (SWIR) typically refers to the photons in the wavelength range from 1 to 3 micrometers. Applications in this wavelength window exploit various advantages such as long penetration length in biological tissue, spectral coverage of the atmospheric nightglow, and the characteristic excitation energy of certain molecular vibration modes. SWIR photodetectors are thus the key technological components to achieve optical communication, environmental gas sensing, biodiagnostics, and passive night vision. Current SWIR technologies mainly rely on low-bandgap compound semiconductors, such as InGaAs, InSb, PbS, and HgCdTe. While classical SWIR photodetectors exhibit excellent detectivity, they are costly (due to epitaxial growth requirement) and/or environment unfriendly involving highly toxic elements. There are, therefore, continuous research and development efforts for alternative material systems and fabrication methods to expand the scope of applications of SWIR photodetection. In recent years, many new materials have been proposed, including black phosphorus, graphene, MoS2, and colloidal PbS nanocrystals. They show great promise in terms of operation at high modulation frequencies or high sensitivity. But some disadvantages still keep them away from the market: rigorous production process (poor reproducibility), non-adaptability to scale-up fabrication, manufactory safety and security concerns (due to the use of highly toxic elements). Alternatively, solution-processed colloidal nanoparticles, such as colloidal gold nanorods (Au NRs) and upconversion nanoparticles (UCNPs), exhibit interesting characteristics possible to overcome these disadvantages: capability of scaling-up synthesis, solution-processability adaptable to low-cost fabrication, high stability, low biological toxicity, and good optical absorption for SWIR photons. This PhD thesis aims to apply these colloidal nanoparticles to fabricate SWIR photodetectors and verifies their possibilities for new generation of photodetection. A few SWIR photodetectors (Au-NRs/Thermistor, Au-NRs/Pt photodetector and UCNPs/Polymers photodetector) were developed in this work, showing high responsivity and sensitivity. In addition, the preparation of these devices is a low-cost and scalable up to mass production process both in the materials synthesis and device fabrication, opening a new and convenient path to the next-generation SWIR photodetectors