Diodes nanostructurées pour la détection infrarouge par absorption à deux photons

Nanostructured diodes for infrared detection through two photons absorption

• Auteur / Autrice : Baptiste Fix
• Direction : Riad Haïdar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 01/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riad Haïdar, Étienne Le Coarer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angela Vasanelli, Nicolas Bonod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Infrarouge

Optique non-Linéaire

Absorption

Semiconducteur

Nanostructures

Détection

Infrared

Non linear optics

Absorption

Semiconductor

Nanostructures

Detection

Résumé

Mes travaux de thèses portent sur l'étude de la photodetection infrarouge par processus d'absorption à deux photons non-dégénérés (NDTPA) dans des diodes nanostructurées à grand gap. Ce concept innovant permet en effet la détection infrarouge sans avoir recours aux systèmes de refroidissement du détecteur.Dans un premier temps, je recherche les paramètres clefs de cette étude. Pour commencer, j'étudie, théoriquement et expérimentalement, la compétition entre deux processus d'absorption sub-gap : l'absorption à deux photons, qui est un processus non linéaire du troisième ordre, et l'absorption linéaire sub-gap sur les défauts du semiconducteur (PASRH). La faible efficacité du NDTPA m'a ensuite amené à étudier des nanostructures capables de concentrer le champs lumineux dans une jonction en semiconducteur, donc d'augmenter l'efficacité absorption.Dans un second temps, je présente la conception, la fabrication en salle blanche et la caractérisation de deux générations de diodes nanostructurées pour la détection infrarouge par NDTPA. Les diodes de première génération sont des jonctions PIN en InP dont l'électrode supérieure nanostructurée est mono-résonante à 3.39 µm. J'ai vérifié leurs propriétés électrique et optique sur un banc dédié que j'ai monté. Finalement, je démontre la détection d'un flux infrarouge à température ambiante par NDTPA et avec un rapport signal sur bruit de 15. Une caractérisation du photocourant mesuré permet de déterminer que la nanostructure permet un gain de 24 sur la génération de photocourant par NDTPA.Après une analyse de cette étude et de ses difficulté, je propose et fabrique une seconde génération de diode nanostructurée résonante aux longueurs d'onde de pompe et de signal. Ce nouveau design permet d'atteindre des gains théorique de l'ordre de 1500 sur la génération de photocourant par NDTPA tout en limitant le photocourant parasite généré par PASRH.Finalement, dans un dernier volet, je présente un nouveau type de nano résonateurs à haut facteur de qualité utilisé dans le cadre des diodes de seconde génération. J'en présente un modèle analytique ainsi que ses principales propriétés.

My thesis work is focused on infrared photodetection through non-degenerated two photons absorption (NDTPA) in a nanostructured large band-gap diode. This innovative concept is an alternative scheme for infrared detection at high operating temperatures.In a first step I will search for the key parameters of this study. I start by studying, theoretically and experimentally, the competition between two sub-gap absorption processes : the NDTPA, which is a non-linear phenomena of the third order, and the linear sub-bandgap absorption on the semiconductors defects (PASRH). Steered by the intrinsically low absorption efficiency of NDTPA, I studied the amplification of photocurrent generation through the fields concentration induced by a nanostructure.In a second time, I present the computed design, the fabrication inside a clean-room and the characterisation of two generations of nanostructured diodes. The first generation diodes are PIN junctions made of InP whose nanostructured top electrodes are mono-resonant at the signal wavelength (3.39 µm). I checked their electrical and optical properties on a dedicated bench that I designed. Finaly I demonstrate an infrared detection at room temperature through NDTPA with a signal-to-noise ratio above 15. A gain of 24 on the generation of photocurrent is attributed to the nanostructure.After an analysis of this first study, I designed and fabricated a second generation of nanostructured diode which are resonant at both the signal and the pump wavelength. This new design can theoretically achieve a gain around 1500 on the generated photocurrent while keeping the parasite PASRH photocurrent under control.Finally in a last part, I study a new high-quality factor nano-resonator which has been used in the design of the second generations diodes. I present an analytical model as well as their principals properties.