Détecteurs moyen-infrarouge à multi-puits quantiques ultra-rapides, à base d'antennes patch

Ultra-fast, antenna-coupled mid-infrared quantum-well photodetectors

• Auteur / Autrice : Quyang Lin
• Direction : Stefano Barbieri, Émilien Peytavit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, photonique
• Date : Soutenance le 18/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Delphine Marris-Morini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Desplanque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gottfried Strasser, Roland Teissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcavités

Guides d'ondes optiques

Antennes-réseaux

Hétérostructures

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Puits quantiques

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Antennes plasmoniques

Transitions inter-sous-bandes

Plasmonic antenna

Intersubband transition

Semiconductor heterostructure

Quantum well

Infrared

Résumé

Cette thèse est consacrée à la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale de photodétecteurs ultra-rapides à base de semi-conducteurs fonctionnant dans le moyen infrarouge (~3-12um). Plus précisément, les détecteurs que j'ai développés, généralement appelés photodétecteurs infrarouges à multi-puits quantiques (QWIP), reposent sur des transitions inter-sous-bandes (ISB) dans une hétérostructure GaAs-Al_0.2Ga_0.8As, où un électron occupant l'état fondamental d'un puits quantique est photoexcité dans un état supérieur, se trouvant en proximit du continuum d'énergie au-dessus des barrières d'AlGaAs.Dans mon travail, j'ai exploité une géométrie de dispositif spécifique qui permet le couplage de la lumière à incidence normale, basée sur un réseau bidimensionnel d'antennes patch métalliques connectées électriquement. Chaque antenne est obtenue en intercalant l'hétérostructure multipuits quantique GaAs-AlGaAs entre une couche métallique de contact supérieure et un plan de masse métallique inférieur, formant ainsi une microcavité carrée métal-diélectrique-métal, où le mode électromagnétique TM fondamental est en résonance avec le l'énergie de la transition ISB. Enfin, pour permettre l'extraction de micro-ondes sur une large bande, le réseau d'antennes est connecté à un guide d'onde coplanaire 50Ohm, intégré de façon monolithique.Dans la première partie de mon travail, j'ai conçu les antennes pour une détection optimale à une longueur d'onde de 10 µm. Cela a été fait par le biais de simulations à l'aide d'un solveur électromagnétique commercial basé sur la méthode des éléments finis (FDTD). Sur la base des résultats des simulations, j'ai fabriqué un ensemble de structures préliminaires, sans guide d'onde coplanaire, afin de caractériser les propriétés optiques du réseau d'antennes par des mesures de micro-réflectance par transformée de Fourier. Ces mesures m'ont permis de sélectionner les dimensions optimales du réseau de patchs, à savoir la taille latérale du patch carré et la périodicité du réseau.La deuxième partie de mon travail a été consacrée à la fabrication du détecteur QWIP complet, y compris le guide d'onde coplanaire intégré. Dans ces détecteurs, la taille du réseau d'antennes bidimensionnelles a été réduite au minimum, sans pour autant compromettre la collection de la radiation incidente, afin de réduire autant que possible la constante de temps RC du dispositif et donc de maximiser la vitesse du détecteur. J'ai fabriqué deux générations de détecteurs reposant sur deux régions actives légèrement différentes, respectivement basées sur une transition ISB de type lié-lié et lié-continu. Dans la dernière partie de mon doctorat, j'ai également fabriqué une troisième génération de dispositifs, où le réseau de patchs, plutôt qu'à un guide d'onde coplanaire, est connecté à une antenne THz spirale. Ce dispositif n'a pas été caractérisé dans ce travail et je présente sa pertinence dans le cadre de cette Thèse dans les perspectives.La dernière partie de la thèse est consacrée à la caractérisation électro-optique des détecteurs fabriqués. Tout d'abord, j'ai mesuré le courant d'obscurité, la dépendance à la polarisation et la photoréponse continue, ce qui m'a permis de déterminer la responsivité à 77K et 300K. Ensuite, j'ai caractérisé la réponse en fréquence micro-onde des détecteurs. A cet effet, j'ai participé à la mise en place d'un banc expérimental basé sur une station sous pointes cryogénique large bande (67GHz). Dans ce banc, les faisceaux de deux lasers à cascade quantique (QCL) émettant à une longueur d'onde de 10.3 µm sont focalisés simultanément sur le détecteur QWIP pour générer un signal de battement hétérodyne à leur différence de fréquence. En changeant la température/courant d’un QCL, la fréquence de battement hétérodyne peut être balayée en continu, permettant ainsi d’obtenir la réponse en fréquence du détecteur à l'aide d'un analyseur de spectre. A température ambiante j'obtiens une réponse.

This Thesis is devoted to the conception, fabrication and experimental characterization of semiconductor-based ultra-fast photodetectors operating in the mid-infrared range (~3-12um). More specifically, the detectors that I have developed, generally known as multi-quantum-well infrared photodetectors (QWIPs), rely on intersubband (ISB) transitions in a GaAs-Al_0.2Ga_0.8As heterostructure, where an electron occupying the ground state of a quantum-well is photoexcited into an upper state, lying next to the energy continuum above the AlGaAs barriers.In my work I have exploited a specific device geometry that allows light-coupling at normal incidence, based on a two-dimensional array of electrically connected metallic patch-antennas. Each antenna is obtained by sandwiching the GaAs-AlGaAs multi-quantum-well heterostructure between a top contact metal layer and a bottom metallic ground plane, effectively forming a square metal-dielectric-metal microcavity, where the fundamental TM electromagnetic mode is resonant with the energy of the ISB transition. Finally, to allow for broadband microwave extraction, the antenna array is connected to a 50Ohm, monolithically integrated coplanar waveguide.In the first part of my work I have designed the antennas for optimum detection at 10um wavelength. This was done by running a set of simulations using a commercial electromagnetic solver based on the finite-difference time-domain (FDTD) method. Based on the results of the simulations I have fabricated a set of preliminary structures, without coplanar waveguide, to characterize the optical properties of the antenna array through Fourier transform micro-reflectance measurements. These measurements have allowed me to select the optimum patch array dimensions, namely the lateral size of the square-patch and the array periodicity.The second part of my work has been dedicated to the fabrication of the complete QWIP detector, including the monolithically integrated coplanar waveguide. In these detectors the size of the two-dimensional antenna array has been kept to a minimum, without compromising the radiation collection, in order to reduce as much as possible the device parasitic RC time constant and therefore maximize the detector speed. I have fabricated two generations of detectors relying on two slightly different active regions, respectively based on a bound-to-bound and a bound-to-continuum design. In the final part of my PhD I have also fabricated a third generation of devices, where the patch array, rather than to a coplanar waveguide, is connected to a spiral THz antenna. This device has not been characterized in this work and I present its relevance in the context of this Thesis in the perspectives.The last part of the Thesis is dedicated to the electro-optical characterization of the fabricated detectors. First, I have measured the dark current, the polarization dependence, and the dc photoresponse, that allowed me to determine the responsivity at 77K and 300K. Then I characterized the microwave frequency response of the detectors. To this end I have participated to the setup of an experimental apparatus based a high-speed (67GHz) cryogenic probe station. In this apparatus the beams of two quantum cascade lasers (QCLs) emitting at 10.3um wavelength, are simultaneously focused on the QWIP detector to generate a hererodyne signal at their difference frequency. By temperature/current tuning the emission wavelength of one QCL the heterodyne frequency can be swept continuously, thus allowing the measurement of the detector frequency response with the help of a spectrum analyzer. At room-temperature I obtain a flat frequency response up to 70GHz, solely limited by the bandwidth of the acquisition electronics. This is the broadest RF- bandwidth reported to date for a QWIP photodetector. To analyze the experimental data, I have modelled the electrical behavior of the QWIP using a small-signal equivalent circuit model.