Détecteurs de photons uniques à base de semiconducteurs du groupe IV

Single photon detectors based on group IV semiconductors

• Auteur / Autrice : Théophile Willoquet
• Direction : Nicolas Pauc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Semiconducteur

Photon unique

GeSn

Semiconductor

Single photon

GeSn

Résumé

La capacité à détecter des photons uniques est à la base du traitement de l'information quantique, et peut trouver de nombreuses applications dans les domaines de l'astronomie, la métrologie, la biodétection, et l'imagerie 3D basée sur les technologies LiDAR. Les détecteurs de photons uniques (SPDs) nécessitent une haute efficacité quantique (>90%), un bas taux de coups d'obscurité, et une réponse ultra-rapide. Les SPD à base de nanofils supraconducteurs (SNSPD) les plus récents montrent des performances supérieures dans les longueurs d'onde du visible à l'infrarouge (jusqu'à ~2µm), cependant leur coût élevé et l'opération cryogénique (-269°C) limite leur large diffusion. Ce projet de thèse va dépasser les frontières des technologies à photon unique actuelles par la création d'un SPD infrarouge utilisable au-delà d'une longueur d'onde de 2µm à température ambiante, en utilisant un réseau de nanofils semiconducteurs en germanium-étain (GeSn). Les semiconducteurs en GeSn sont fabriqués par croissance sur un wafer de Silicium, et leur longueur d'onde seuil pour l'absorption optique peut être contrôlée de 1,5µm (Ge) à 6µm en augmentant la teneur en Sn jusqu'à 20 at.%, c'est-à-dire bien au-delà du seuil des SNSPD. De plus, la géométrie unidimensionnelle des réseaux de nanofils améliore fortement l'absorption de lumière, et en conséquence booste l'efficacité du photodétecteur. Le but de ce projet de thèse est d'exploiter les propriétés optiques exceptionnelles des nanofils, et de créer un réseau de nanofils en GeSn SPD pour développer des technologies de photonique quantique en espace libre et d'imagerie. Le réseau de nanofils ve être gravé à partir d'une hétérostructure de GeSn dopée p-i-n, en combinant des techniques de lithographie et de gravure dans un environnement de salle blanche. Des contacts transparents vont alors compléter la fabrication de la diode SPD. L'efficacité du détecteur va être estimée à température ambiante en mesurant ses réponses optoélectroniques sur la plage des longueurs d'ondes infrarouges. La détection de photons uniques va être démontrée en utilisant une source laser de photons uniques, tout en évaluant la dynamique du fonctionnement du détecteur. Des simulations de l'absorption optique théorique vont être effectuée afin de maximiser l'efficacité du SPD en nanofils de GeSn sur la base d'observation expérimentales. Ce projet hautement interdisciplinaire va permettre l'élaboration de technologies quantiques concrètes, et la création de nouvelles expertises dans les domaines de la détection quantique et de la communication.

The ability to detect single photons is at the foundation of quantum information processing, as well as finding a wide range of applications in astronomy, metrology, biosensing, and 3D imaging LiDAR technologies. Single photon detectors (SPDs) require high quantum efficiency (>90%), low dark count rates, and ultra-fast response. State of the art superconducting nanowire SPD (SNSPD) can deliver superior performance from visible to infrared (up to ~2 μm) wavelengths, however their high cost and cryogenic operation (-269 °C) limit their widespread applicability. This PhD project will overcome the boundaries of the current single photon technologies by fabricating an infrared SPD that can operate beyond 2 μm wavelength at room-temperature using an array of Germanium-Tin (GeSn) semiconductor nanowires (NWs). GeSn semiconductors are grown on a Silicon (Si) wafer and their cut-off wavelength for optical absorption can be controlled from 1.5 μm (Ge) to 6 μm by increasing the Sn content up to 20 at.%, thus well beyond the SNSPDs cut-off. Moreover, the one-dimensional geometry of the NW arrays strongly enhances light absorption, in turn boosting the efficiency of the photodetector. The goal of this PhD project is to exploit the exceptional light absorption properties of the NWs and fabricate a GeSn NW array SPD to develop free-space quantum photonics and imaging technologies. The NW array will be etched from a doped GeSn p-i-n thin film heterostructure by combining lithography and etching techniques in a cleanroom environment. Transparent contacts will then complete the SPD diode fabrication. The efficiency of the detector will be estimated at room-temperature by measuring its optoelectronic response across infrared wavelengths. Detection of single photons will be demonstrated using a single photon laser source, together with evaluating the SPD operation at high-speed. Theoretical optical absorption simulations will be carried out to maximize the efficiency of the GeSn NW SPD based on the experimental observation. This highly interdisciplinary project will enable practical quantum hardware technologies and forge new expertise in the fields of quantum sensing and communication.