Phototransistor infrarouge sensible à la charge dans une architecture de microcavité patch pour 9,5 µm

Charge-sensitive infrared phototransistor in a microcavity patch architecture for 9.5 µm

• Auteur / Autrice : Mohsen Bahrehmand
• Direction : Yanko Todorov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/03/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Juliette Mangeney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cheryl Feuillet-Palma, Stefano Barbieri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gottfried Strasser, Kazuhiko Hirakawa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcavités

Photons uniques

Métamatériaux

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Phototransistor infrarouge

Détection dans l'infrarouge moyen

Métamatériau

Comptage de photons uniques

Infrared phototransistor

Mid-infrared detection

Metamaterial

Single-photon counting

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de détecteurs infrarouges moyens à semi-conducteurs capables de détecter des photons uniques à des températures cryogéniques. Le détecteur étudié est un phototransistor infrarouge sensible à la charge (CSIP). Il s'agit d'un dispositif unipolaire où la transition optique a lieu entre des états électroniques confinés dans la bande de conduction. Ce détecteur pourrait avoir des applications intéressantes en astronomie et en microscopie à haute résolution, où la détection de rayonnements extrêmement faibles est nécessaire. Au cours de ce projet de thèse, j'ai poursuivi deux objectifs principaux. Le premier était de concevoir, fabriquer est étudier des détecteurs à la base des hétérostructures AlGaAs/GaAs en configurations simple tel des dispositifs de type mesa. Le second objectif a été d'intégrer ce type de détecteurs avec des microcavités patch afin d'améliorer l'efficacité d'absorption du CSIP. Dans mon manuscrit de thèse, je présente tout d'abord les principes fondamentaux nécessaires à la compréhension de ce type des dispositifs, ainsi qu'un résumé de l'état de l'art sur les compteurs de photons en général. Ensuite j'expose mes études sur plusieurs architectures de dispositifs en détaillant les défis auxquels j'ai été confronté avant d'obtenir une première génération de détecteurs opérationnels. Je présente une caractérisation complète des performances d'un CSIP fonctionnant à une longueur d'onde de 9,3 µm ou le rayonnement incident est couplé à travers une facette polie à 45°. Dans cette configuration l'estimation de l'efficacité d'absorption est grandement facilitée. Enfin, je présente les résultats obtenus avec un CSIP intégré dans un métamatériau qui fonctionne comme une microcavité patch double-métal, améliorant l'efficacité d'absorption d'un ordre de grandeur et offrant également la possibilité de détecter rayonnement en incidence normale. Pour les deux types de dispositifs, les valeurs de responsivités obtenues sont supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles rapportées pour les détecteurs infrarouges inter-sous-bande conventionnels, ce qui souligne leur capacité pour la détection de faibles flux de photons, avec plusieurs applications en vue.

This thesis work deals with the design, fabrication and characterization of solid-state mid-infrared detectors capable of detecting single photons at cryogenic temperatures. The detector studied is a charge-sensitive infrared phototransistor (CSIP). It is a unipolar device where the optical transition takes place between electronic states confined to the conduction band. This detector could have interesting applications in astronomy and high-resolution microscopy, where the detection of extremely weak radiation is required. During this thesis project, I pursued two main objectives. The first was to design, fabricate and study detectors based on AlGaAs/GaAs heterostructures in simple configurations such as mesa-type devices. The second objective was to integrate this type of detector with patch microcavities in order to improve the absorption efficiency of the CSIP. In my thesis manuscript, I first present the fundamental principles needed to understand this type of device, as well as a summary of the state of the art in photon counting. I then present my studies on several device architectures, detailing the challenges I faced before obtaining a first generation of operational detectors. I present a complete characterization of the performance of a CSIP operating at a wavelength of 9.3 µm, where the incident radiation is coupled through a 45° polished facet. This configuration makes it much easier to estimate absorption efficiency. Finally, I present results obtained with a CSIP integrated into a metamaterial that functions as a double-metal patch microcavity, improving absorption efficiency by an order of magnitude and also offering the possibility of detecting radiation at normal incidence. For both types of devices, the responsivity values obtained are several orders of magnitude higher than those reported for conventional inter-subband infrared detectors, underlining their capabilities for the detection of low photon fluxes, with several applications in view.