Dévelοppement de détecteurs de rayοnnement ΤΗz nοn refrοidis à base de La0.7Sr0.3ΜnΟ3

Development of uncooled THz radiation detectors based on La0.7Sr0.3MnO3

• Auteur / Autrice : Thomas Quinten
• Direction : Bruno Guillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mathématiques, Information, Ingénierie des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image et instrumentation de Caen
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie
• Jury : Président / Présidente : Pascale Le Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Le Roy, Philippe Lecoeur, Mohamed Faouzi Boussaha, Jean-Pierre Locquet, Jean-François Lampin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Lecoeur, Mohamed Faouzi Boussaha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Radiofréquences

Manganite

Bolomètres

Rayonnement terahertz

Mots clés libres

THz

Résistance de contact

Bolometer

Manganite

Contact resistance

Radiofrequency measurements

Résumé

Les propriétés des ondes térahertz (THz) offrent des perspectives pour relever les défis sociétaux du XXIᵉ siècle dans les domaines de la santé, de la sécurité et de l'énergie. Cette thèse examine l'utilisation de couches minces de La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) déposées sur silicium pour réaliser des détecteurs THz à température ambiante, en exploitant la variation de leur résistance électrique. Les détecteurs sont associés à des antennes planaires, exigeant une adaptation d’impédance optimale entre l’antenne et la couche mince. Dans ce but, les couches LSMO et leurs contacts électriques (Au/LSMO) ont été caractérisés en courant continu et dans le domaine radiofréquence (10 MHz à 325 GHz). En courant continu, l'étude révèle que de fortes résistances électriques de contact introduisent des comportements non-linéaires qui dégradent la lecture des détecteurs. Un recuit thermique associé à une géométrie adaptée du détecteur a permis de ramener les résistances de contact à un niveau négligeable, avec une résistance spécifique de 10⁻⁵ Ω·cm². L’analyse radiofréquence effectuée sur des lignes coplanaires chargées par du LSMO a montré que l’impédance du LSMO est réelle et que les résistances électriques de contact sont négligeables à ces fréquences. Ces résultats ont permis de concevoir des détecteurs couplés à une lentille diélectrique et de les tester à 640 GHz et 2.52 THz. Les performances mesurées se montrent prometteuses comparées à l’état de l’art, avec un NEP électrique de quelques pW/√Hz (limité par le bruit de phonons) et un temps de réponse de 0.1 ms. Le NEP optique, avoisinant 600 pW/√Hz dans la bande passante, pourrait être optimisé par une meilleure absorption du rayonnement.

The properties of terahertz (THz) waves offer promising perspectives for addressing 21st-century societal challenges in the fields of health, security, and energy. This thesis investigates the use of La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) thin films deposited on silicon for the development of THz detectors operating at room temperature, by exploiting the variation in their electrical resistance. The films are coupled with planar antennas, requiring optimal impedance matching between the antenna and the thin film. In this context, the LSMO layers and their electrical contacts (Au/LSMO) were characterized in direct current and in the radiofrequency domain (10 MHz to 325 GHz). In direct current, the study reveals that high contact resistances introduce nonlinear behaviors that degrade detector reading. Thermal annealing combined with an optimized detector geometry allowed for contact resistances to be reduced to a negligible level, achieving a specific contact resistance of 10⁻⁵ Ω·cm². The radiofrequency analysis performed on coplanar lines loaded with LSMO showed that the LSMO impedance is real with no contact resistances. These findings enabled the design of detectors coupled with a dielectric lens, which were tested at 640 GHz and 2.52 THz. The performances are promising compared to the state of the art, with an electrical NEP of a few pW/√Hz (limited by phonons noise) and a response time of 0.1 ms. The optical NEP, around 600 pW/√Hz in the bandwidth, could be optimized through enhanced radiation absorption.