Emission cyclotron TeraHertz dans des puits quantiques topologiques HgTe/CdTe

Terahertz cyclotron emission in topological HgTe/CdTe quantum wells

• Auteur / Autrice : Savvas Petridis
• Direction : Frederic Teppe, Philippe Ballet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2026
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Physique Appliquée

Mots clés

Mots clés libres

TeraHertz

Puits

Quantiques

Topologiques

HgTe/CdTe

Emission

TeraHertz

Topological

Quantum

Wells

Emission

Résumé

Il n'existe aujourd'hui aucune source de lumière cohérente et continument accordable sur la gamme de fréquences térahertz. Le système topologique HgTe/CdTe ouvre des perspectives prometteuses dans ce domaine, en s'appuyant sur les recombinaisons radiatives entre niveaux de Landau sous champ magnétique. La structure de bandes singulière de ce système permet en effet de s'affranchir de la principale source de recombinaison non-radiative limitant l'émission spontanée de lumière dans les semi-conducteurs. Cette thèse propose une étude expérimentale approfondie du système HgTe/CdTe afin d'évaluer son potentiel pour la réalisation de sources laser térahertz. Elle s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le CEA-Leti à Grenoble et le Laboratoire Charles Coulomb (L2C - UM/CNRS) à Montpellier. Les travaux couvriront l'ensemble de la chaîne expérimentale, depuis l'élaboration de structures à puits quantiques par épitaxie par jets moléculaires et le process technologique des dispositifs, jusqu'à la spectroscopie magnéto-optique par absorption et par émission. Les échantillons étudiés seront structurés sous forme de cavités optiques/térahertz résonantes et intégreront des contacts et des grilles métalliques permettant un contrôle fin des propriétés optoélectroniques des puits quantiques. Du point de vue des matériaux, l'obtention d'un gain optique dans ces structures requiert une qualité cristalline exceptionnelle, tant en termes d'absence de défauts que de maîtrise des interfaces. Un enjeu majeur consistera à éviter la relaxation de contrainte dans ce système cristallin cubique légèrement désaccordé (≈ 0,3 % de désaccord de maille), tout en maximisant le nombre de puits quantiques empilables. Le projet bénéficie d'une forte expertise en croissance de ces matériaux ainsi que d'un environnement de caractérisation de premier plan, notamment par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. La structuration des échantillons sera réalisée au CEA-Leti, dans des salles blanches dédiées à ces familles de matériaux. Les étapes clés incluront le retrait et l'amincissement des substrats CdTe, ainsi que le dépôt ou le report de couches métalliques nécessaires à la réalisation des cavités optiques. Des couches isolantes seront également déposées afin de fabriquer des grilles de polarisation permettant de contrôler la densité des gaz d'électrons. Des caractérisations par spectroscopie optique sous champ magnétique seront menées au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI, CNRS), et les mesures d'émission cyclotron seront effectuées au L2C. Ces techniques de mesures offriront à l'étudiant l'opportunité d'appréhender les concepts physiques complexes en jeu et d'assurer une analyse rigoureuse des résultats expérimentaux. L'étudiant sera ainsi amené à travailler sur la réalisation de sources de lumière reposant sur des effets physiques novateurs, depuis la croissance des structures cristallines jusqu'à leur caractérisation optique, en passant par la nano- et micro-fabrication en salle blanche à l'aide de procédés de microélectronique adaptés. Les études menées permettront de préciser le potentiel de ces nouveaux systèmes de matériaux pour la génération de sources térahertz cohérentes, et pourraient aboutir à la démonstration d'un effet laser cyclotron. Le doctorant bénéficiera d'un environnement de recherche unique et hautement multidisciplinaire, tant en termes d'expertise scientifique que de moyens expérimentaux.

At present, there is no coherent and continuously tunable light source operating in the terahertz frequency range. The topological HgTe/CdTe system offers highly promising prospects in this field, relying on radiative recombination between Landau levels under a magnetic field. The unique band structure of this system makes it possible to overcome the main source of non-radiative recombination that limits spontaneous light emission in conventional semiconductors. This PhD project proposes an in-depth experimental study of the HgTe/CdTe system in order to assess its potential for the realization of terahertz laser sources. It is carried out within the framework of a collaboration between CEA-Leti in Grenoble and the Charles Coulomb Laboratory (L2C – UM/CNRS) in Montpellier. The work will cover the entire experimental chain, from the growth of quantum well structures by molecular beam epitaxy and device fabrication, to magneto-optical spectroscopy through both absorption and emission measurements. The samples under investigation will be structured as resonant optical/terahertz cavities and will integrate metallic contacts and gates enabling fine control of the optoelectronic properties of the quantum wells. From a materials perspective, achieving optical gain in these structures requires exceptional crystalline quality, both in terms of defect minimization and interface control. A major challenge will be to avoid strain relaxation in this slightly lattice-mismatched cubic crystalline system (≈ 0.3% lattice mismatch), while maximizing the number of stackable quantum wells. The project benefits from strong expertise in the growth of these materials, as well as from a state-of-the-art characterization environment, notably including X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Sample structuring will be carried out at CEA-Leti in cleanroom facilities dedicated to these material systems. Key processing steps will include the removal and thinning of CdTe substrates, as well as the deposition or transfer of metallic layers required for the fabrication of optical cavities. Insulating layers will also be deposited to fabricate polarization gates allowing control of the electron gas density. Optical spectroscopy measurements under magnetic field will be performed at the National High Magnetic Field Laboratory (LNCMI, CNRS), while cyclotron emission measurements will be conducted at L2C. These experimental techniques will provide the PhD student with the opportunity to engage with the complex physical concepts involved and to carry out a rigorous analysis of the experimental results. The student will therefore work on the development of light sources based on novel physical effects, spanning crystal growth, nanofabrication and microfabrication in cleanroom environments using adapted microelectronics processes, and optical characterization. The studies will help clarify the potential of these new material systems for the generation of coherent terahertz sources and may lead to the demonstration of a cyclotron laser effect. The PhD candidate will benefit from a unique and highly multidisciplinary research environment, both in terms of scientific expertise and experimental facilities.