Détecteur quantique à superréseaux 'Ga-free' fonctionnant à haute température dans la totalité de la gamme spectrale du moyen infrarouge

High operating temperature Ga-free superlattice quantum detector for the full MidWave InfraRed spectral domain

• Auteur / Autrice : Maxime Bouschet
• Direction : Philippe Christol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Éric Tournié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Ribet, Cyril Cervera, Nicolas Péré-Laperne, Jean-Philippe Perez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Almuneau, Emmanuel Lhuillier
• DOI : 10.70675/c230e345z252fz41dfz80a4z303fc47013dd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Supraconducteurs à hautes températures

Superréseaux

Spectroscopie infrarouge

Mots clés libres

Détecteur

Ga-Free

Infrarouge

Superréseaux

Haute température

Haute performance

Ga-Free

Superlattice

Hot temperature

Infrared

Quantum detector

High-Performance

Résumé

Une augmentation de la température de fonctionnement des matrices de détecteurs infrarouges (IR-FPA) refroidis haute performance conduirait à une réduction de la taille, du poids et de la consommation énergétique de la machine à froid ce qui permettrait d'accéder à de nouvelles applications où les besoins des caméras IR en termes de portabilité, de compacité et d'autonomie énergétique sont essentielles. Actuellement, les technologies de photodétecteurs fonctionnant à haute température (T = 150K), en particulier le détecteur InAsSb, ne couvrent qu'une partie du domaine spectral du moyen infrarouge (MWIR), pour des longueurs d'ondes en deçà de 4,2 μm. Etendre la longueur d'onde de coupure à la totalité du domaine MWIR, jusqu'à 5 μm pour une température de fonctionnement au moins égale à 150K, sans dégradation de performance, présenterait des avantages radiométriques indéniables. En associant les avantages des superréseaux (SR) de matériaux semiconducteurs, en particulier en ce qui concerne la flexibilité en longueur d'onde de coupure de ces nanostructures périodiques, avec ceux des nouvelles architectures de structures à barrière, appelées XBn, la thèse a pour objectif de fabriquer et d'étudier les premiers photodétecteurs 'Ga-free' (sans Gallium) à base de superréseau de type II InAs/InAsSb (T2SL). Le photodétecteur à SR 'Ga-free' sur substrat GaSb est réalisé dans une configuration XBn avec une longueur d'onde de coupure à 5 μm et montre des performances en courant d’obscurité et en rendement quantique à l’état de l’art mondial.

An Increase of the operating temperature of the high performance cooled infrared (IR) detector focal plane arrays (FPAs) would induce a reduction in size, weight and power consumption of the cryocooler and allow a new class of applications where the needs in portability, compactness and energy autonomy of the IR cameras are essential. Currently, the photodetector technologies operating at high temperature (T= 150K), in particular the detector based on InAsSb, only cover a part of the midwave infrared (MWIR) domain, below 4.2µm. The extension of the cutoff wavelength to the full MWIR spectrum until 5µm for an operating temperature equal to 150K or higher, with no tradeoffs in performance, would present evident radiometric advantages. Combining the advantages of superlattice (SL) nanostructures in term of tuning of cut-off wavelength and the ones of XBn barrier structure device, the main objective of the thesis is to fabricate and study the first Ga-free InAs/InAsSb type-II superlattice (T2SL) photodetector. The Ga-free T2SL photodetector on GaSb substrate is used in a XBn configuration with a 5 µm cutoff wavelength and showing state of the art performance in terms of dark current and quantum efficiency.