Contribution à l'étude expérimentale et théorique des photodétecteurs infrarouge à multipuits quantiques couvrant la bande spectrale3-20 μm : physique, optimisation et nouvelles fonctionnalités

Experimental and theoritical study of the quantum wells infrared photodetectors covering the 3 to 20 micrometers spectral range

• Auteur / Autrice : Vincent Guériaux
• Direction : Vincent Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoélectricité

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Puits quantiques

Résumé

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].