Thèse – Ultra-Fast, Antenna-Coupled Mid-Infrared Quantum-Well Photodetectors

Quyang Lin

Soutenance de thèse : 18 octobre 2021 à 10h30

Amphitheater of the IEMN - Central Laboratory - Villeneuve d'Ascq

Jury :

– Gottfried Strasser, Professeur, Université technique de Vienne, Rapporteur
– Roland Teissier, Directeur de Recherche CNRS, Laboratoire IES, Université de Montpellier, Rapporteur
– Delphine Morini, Professeure des Universités, Laboratoire, C2N, Université de Paris-Saclay, Examinateur
– Ludovic Desplanque, Maître de Conférence, IEMN, Université de Lille, Examinateur
– Emilien Peytavit, Chargé Recherche CNRS, IEMN, Co-directeur
– Stefano Barbieri, Directeur de Recherche CNRS, IEMN, Université de Lille, Directeur de thèse

Résumé :

Cette Thèse est consacrée à la conception, fabrication et caractérisation expérimentale de photodétecteurs moyen-infrarouge ultra-rapides. Ces dispositifs exploitent les transitions intersousbande dans des hétérostructures III-V, et couvrent la gamme de longueurs d’onde allant de 10μm à 12μm. L’objectif principal de mon travail a été celui de démontrer des détecteurs avec des temps de réponse allant au-delà de l’état de l’art. Pour ce faire j’ai utilisé une géométrie s’appuyant sur un réseau 2D d’antennes métalliques de taille inferieure à la longueur d’onde, ce qui permet de réduire considérablement la surface du détecteur par rapport aux architectures standard, sans pour autant compromettre la collection de la radiation incidente. On atteint ainsi des capacités parasites extrêmement faibles, qui amènent à des temps de réponse de l’ordre de la ps. Grace à cela j’ai pu démontrer des bandes passantes (limitées par la vitesse de l’électronique d’acquisition) qui vont au-del à de 70GHz à température ambiante.

Abstract:

This Thesis is devoted to the design, fabrication and experimental characterization of ultra-fast, semiconductor-based photodetectors. These detectors exploit intersubband transitions in III-V heterostructures, and operate in the mid-infrared spectral region, from 10μm to 12μm wavelength. The main objective of my work has been to demonstrate detectors with response times beyond the state-of-the-art of present technology. To this end I exploited a device geometry based on a 2D-array of electrically connected metallic antennas of sub-wavelength dimensions. This architecture allows to considerably reduce the detector physical area compared to standard designs, without compromising the collection of the incident radiation. This results into extremely low parasitic capacitances, leading to response times on the ps timescale. Thanks to this property I have been able to demonstrate bandwidths (limited by the speed of the acquisition electronics) beyond 70GHz at room temperature.