Résumé :

Cette Thèse est consacrée à la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale de photodétecteurs ultra-rapides à base de semi-conducteurs fonctionnant dans le moyen infrarouge (~3-12um). Plus précisément, les détecteurs que j’ai développés, généralement appelés photodétecteurs infrarouges à multi-puits quantiques (QWIP), reposent sur des transitions inter-sous-bandes (ISB) dans une hétérostructure GaAs-Al_0.2Ga_0.8As, où un électron occupant l’état fondamental d’un puits quantique est photoexcité dans un état supérieur, se trouvant en proximit du continuum d’énergie au-dessus des barrières d’AlGaAs. Dans mon travail, j’ai exploité une géométrie de dispositif spécifique qui permet le couplage de la lumière à incidence normale, basée sur un réseau bidimensionnel d’antennes patch métalliques connectées électriquement. Chaque antenne est obtenue en intercalant l’hétérostructure multipuits quantique GaAs-AlGaAs entre une couche métallique de contact supérieure et un plan de masse métallique inférieur, formant ainsi une microcavité carrée métal-diélectrique-métal, où le mode électromagnétique TM fondamental est en résonance avec le l’énergie de la transition ISB. Enfin, pour permettre l’extraction de micro-ondes sur une large bande, le réseau d’antennes est connecté à un guide d’onde coplanaire 50Ohm, intégré de façon monolithique. Dans la première partie de mon travail, j’ai conçu les antennes pour une détection optimale à une longueur d’onde de 10 µm. Cela a été fait par le biais de simulations à l’aide d’un solveur électromagnétique commercial basé sur la méthode des éléments finis (FDTD). Sur la base des résultats des simulations, j’ai fabriqué un ensemble de structures préliminaires, sans guide d’onde coplanaire, afin de caractériser les propriétés optiques du réseau d’antennes par des mesures de micro-réflectance par transformée de Fourier. Ces mesures m’ont permis de sélectionner les dimensions optimales du réseau de patchs, à savoir la taille latérale du patch carré et la périodicité du réseau. La deuxième partie de mon travail a été consacrée à la fabrication du détecteur QWIP complet, y compris le guide d’onde coplanaire intégré. Dans ces détecteurs, la taille du réseau d’antennes bidimensionnelles a été réduite au minimum, sans pour autant compromettre la collection de la radiation incidente, afin de réduire autant que possible la constante de temps RC du dispositif et donc de maximiser la vitesse du détecteur. J’ai fabriqué deux générations de détecteurs reposant sur deux régions actives légèrement différentes, respectivement basées sur une transition ISB de type lié-lié et lié-continu. Dans la dernière partie de mon doctorat, j’ai également fabriqué une troisième génération de dispositifs, où le réseau de patchs, plutôt qu’à un guide d’onde coplanaire, est connecté à une antenne THz spirale. Ce dispositif n’a pas été caractérisé dans ce travail et je présente sa pertinence dans le cadre de cette Thèse dans les perspectives. La dernière partie de la Thèse est consacrée à la caractérisation électro-optique des détecteurs fabriqués. Tout d’abord, j’ai mesuré le courant d’obscurité, la dépendance à la polarisation et la photoréponse continue, ce qui m’a permis de déterminer la responsivité à 77K et 300K. Ensuite, j’ai caractérisé la réponse en fréquence micro-onde des détecteurs. A cet effet, j’ai participé à la mise en place d’un banc expérimental basé sur une station sous pointes cryogénique large bande (67GHz). Dans ce banc, les faisceaux de deux lasers à cascade quantique (QCL) émettant à une longueur d’onde de 10.3 µm sont focalisés simultanément sur le détecteur QWIP pour générer un signal de battement hétérodyne à leur différence de fréquence. En changeant la température/courant d’un QCL, la fréquence de battement hétérodyne peut être balayée en continu, permettant ainsi d’obtenir la réponse en fréquence du détecteur à l’aide d’un analyseur de spectre. A température ambiante j’obtiens une réponse.

Abstract :

This thesis is devoted to the design, fabrication and experimental characterization of ultrafast semiconductor-based photodetectors operating in the mid-infrared (~3-12um). Specifically, the detectors I have developed, generally referred to as quantum multi-well infrared (QWIP) photodetectors, rely on inter-subband transitions (ISBs) in a GaAs-Al_0.2Ga_0.8As heterostructure, where an electron occupying the ground state of a quantum well is photoexcited into a higher state, lying proximate to the energy continuum above the AlGaAs barriers. In my work, I have exploited a specific device geometry that allows the coupling of light at normal incidence, based on a two-dimensional array of electrically connected metallic patch antennas. Each antenna is obtained by intercalating the GaAs-AlGaAs quantum multiwell heterostructure between an upper metal contact layer and a lower metal ground plane, thus forming a square metal-electrical-metal microcavity, where the fundamental TM electromagnetic mode is in resonance with the ISB transition energy. Finally, to enable broadband microwave extraction, the antenna array is connected to a monolithically integrated 50Ohm coplanar waveguide. In the first part of my work, I designed the antennas for optimal detection at a wavelength of 10 µm. This was done through simulations using a commercial electromagnetic solver based on the finite element method (FDTD). Based on the results of the simulations, I fabricated a set of preliminary structures, without coplanar waveguide, in order to characterize the optical properties of the antenna array by Fourier transform microreflectance measurements. These measurements allowed me to select the optimal dimensions of the patch array, namely the lateral size of the square patch and the periodicity of the array. The second part of my work was devoted to the fabrication of the complete QWIP detector, including the integrated coplanar waveguide. In these detectors, the size of the two-dimensional antenna array was minimized, without compromising the collection of incident radiation, in order to minimize the RC time constant of the device and thus maximize the detector speed. I have fabricated two generations of detectors based on two slightly different active regions, respectively based on a bonded-bound and bonded-continuous ISB transition. In the last part of my PhD, I also fabricated a third generation of devices, where the patch array, instead of a coplanar waveguide, is connected to a spiral THz antenna. This device has not been characterized in this work and I present its relevance to this Thesis in the perspectives. The last part of the thesis is devoted to the electro-optical characterization of the fabricated detectors. First, I measured the dark current, polarization dependence and continuous photoresponse, which allowed me to determine the responsivity at 77K and 300K. Then, I characterized the microwave frequency response of the detectors. For this purpose, I participated in the setting up of an experimental bench based on a wide band (67GHz) cryogenic spike station. In this bench, the beams of two quantum cascade lasers (QCL) emitting at a wavelength of 10.3 µm are simultaneously focused on the QWIP detector to generate a heterodyne beat signal at their frequency difference. By changing the temperature/current of a QCL, the heterodyne beat frequency can be continuously scanned, thus allowing the frequency response of the detector to be obtained using a spectrum analyzer. At room temperature I get a response.