Réalisation et caractérisation de photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteur

Fabrication and Characterisation of Photodetectors Based on Semiconductor Nanowires

• Auteur / Autrice : Jean-Philippe Girard
• Direction : Louis Giraudet, Christophe Couteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/07/2018
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Collectivité territoriale : Grand Est
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Gérard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Couteau, Jean-Michel Gérard, Jean-Sébastien Lauret, Maria Tchernycheva, Renaud Bachelot, Robert Taylor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Sébastien Lauret, Maria Tchernycheva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoconductivité

Nanophotonique

Spectroscopie

Optoélectronique

Semiconducteurs

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils

Semiconducteurs

Optoélectronique

Spectroscopie

Nanophotonique

Photoconductivité

Nanowires

Semiconductors

Optoelectronic

Spectroscopy

Nanophotonic

Photoconductivity

Résumé

Ces dernières années de nombreux progrès ont été fait dans la réalisation des détecteurs optiques dans le visible. Parmi les plus sensibles du marché on retrouve les photomultiplicateurs (PMTs), qui utilisent l’effet photoélectrique, ce sont des composants chers, volumineux et fragiles. Il existe aussi les photodiodes à avalanches (SPADs ) qui utilisent des jonctions de semi-conducteurs soumises à de forts champs électriques, ils constituent une bonne alternative aux PMTs et sont moins volumineux qu’eux (environ 100µm d’épaisseur). Enfin il y a les nanofils supraconducteurs (SNSPDs), qui sont d’excellents détecteurs fonctionnant à haute fréquence et de faible dimension (de l’ordre du µm²), mais qui nécessitent de fonctionner à très basse température (souvent dans la gamme 1.4K-4K).C’est pourquoi dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux photodétecteurs à base de nanofils de semiconducteurs, qui pourraient dans l’avenir, devenir une alternative à ces détecteurs, car ils ont l’avantage d’être utilisable à température ambiante et d’être plus compact que les PMTs et les SPADs. Nous avons fabriqué des photodétecteurs à base de nanofils de ZnO, de CdSe, de GaAs et de GaAsP, puis nous les avons caractérisés électriquement et optiquement. Enfin pour comprendre plus en détail le fort gain obtenu sur les dispositifs en ZnO, nous avons réalisé de la spectroscopie à basse température sur ce matériau. Cela inclut des mesures de photoluminescence, de temps de vie de fluorescence ainsi que de la RPE (résonnance paramagnétique électronique)

In recent years, many advances have been made in the production of optical detectors in the visible. Among the most sensitive on the market, there are photomultipliers (PMT), which use the photoelectric effect. Unfortunately, they are expensive, bulky and fragile components. There are also Single-Photon Avalanche Photodiode (SPAD) which use semiconductor junctions subjected to strong electric fields. They remain a good alternative to PMT and are smaller than them (about 100μm thick). Finally, there are superconducting nanowires single-photon detectors (SNSPD), which are excellent detectors operating at high frequency and with small dimensions (of the order of μm²), but which operate only at very low temperatures (often in the 1.4K-4K range).This is why we focused on photodetectors based on semiconductor nanowires, which could become in the future an alternative to these detectors. Among other reasons, they have the advantage of being usable at room temperature and to be more compact than PMTs and SPADs. We made photodetectors based on ZnO, CdSe, GaAs and GaAsP nanowires, and then we characterized them electrically and optically. Finally, to have a better understanding of the strong gain obtained on the ZnO devices, we carried out a low-temperature spectroscopy on this material. This includes measurements of photoluminescence, time-resolved photoluminescence and EPR (electron paramagnetic resonance)