Plasmonique active pour l’infrarouge sur semi-conducteur fortement dopé - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Dynamic plasmonics for infrared with heavily doped semiconductor

Plasmonique active pour l’infrarouge sur semi-conducteur fortement dopé

Résumé

The context of my thesis deals with infrared (IR) multispectral imaging and in particular with plasmonics, a field of electromagnetic optics whose the aim is to study and exploit surface waves existing at the interface between a metal and a dielectric. We seek to miniaturize optical functions thanks to nanotechnologies and more precisely to perform IR spectral filtering at the detection pixel level by integrating a nano-resonator. Usually we use dielectrics and metals, but the integration is complex. I am exploring the potential offered by heavily doped semiconductors to replace metals, which could allow better integration into technological processes for fabricate a photodetector or emitter. I use III-V semiconductors, compatible with the epitaxial growth of type 2 superlattice (T2SL) of long wave infrared photodetectors (LWIR). Furthermore, working with a heavily doped semiconductor offers the possibility of modifying the resonance frequency by adjusting the density of free carriers by the action of a potential difference.I study architectures of "GMR" components (Guided-Mode Resonance), usually formed by a waveguide in dielectric, where occurs the resonance, and a grating in dielectric or metal allowing the coupling between the incident or transmitted wave and the guided mode thanks to the ±1 orders diffracted by the grating in the thin layer. The current trend is to integrate these components directly at the level of the detection pixel but at the cost of numerous fabrication steps. I am studying the possibility of using exclusively semiconductors to simplify the fabrication process and allow monolithic integration of the filter into the detector. The waveguide consists of an intrinsic semiconductor and the grating of heavily doped semiconductor. The spectral range of interest is in the far infrared (8 μm - 14 μm).First, theoretical and experimental demonstrations of an all-semiconductor nano-structured spectral filter for infrared based on guided-mode resonance were carried out. I dimensioned and then fabricated a sample where the first step consists in depositing by epitaxy a layer of GaSb and a layer of highly doped InAsSb on a GaAs substrate before a photolithography step to define the mask of the etching reactive ionic etching in order to obtain the diffraction grating. An experimental work then made it possible to characterize the component (measurement under normal incidence, angular study, measurement at low temperature) with in particular the realization of an angular characterization setup.In parallel, I studied an appropriate stack of doped materials allowing, by applying an electrical voltage, to move the free electrons from doping in the grating and the guide, which then locally modifies the refractive index and therefore directly the conditions for guiding the light by phase variation. Different approaches have been presented in an attempt to adjust the resonance wavelength of the GMR spectral filter: accumulation and depletion of charges in the diffraction grating, insertion of a PN junction in the waveguide, ...Finally, a first brick for the integration of a T2SL in an optical nano-resonator to make an all-semiconductor nano-structured photodetector was studied. I proposed the theoretical design of several nano-resonators integrating a T2SL type photodetector (InAs/GaSb). I designed three architectures with distinct spectral properties, which differ in particular in the thickness of the T2SL layer.
Le contexte de ma thèse se situe dans le cadre de l’imagerie multispectrale infrarouge (IR) et traite notamment de la plasmonique, domaine de l’optique électromagnétique dont le but est d’étudier et d’exploiter des ondes de surface existant à l’interface entre un métal et un diélectrique. On cherche à miniaturiser des fonctions optiques grâce aux nanotechnologies et plus précisément à réaliser du filtrage spectrale IR au niveau du pixel de détection en intégrant un nano-résonateur. Usuellement, on utilise des diélectriques et des métaux mais l’intégration est complexe. J’explore le potentiel offert par les semi-conducteurs fortement dopés pour remplacer les métaux, ce qui pourrait permettre une meilleure intégration aux procédés technologiques de fabrication de photodétecteur ou d’émetteur. J’utilise des semi-conducteurs III-V, compatibles avec la croissance épitaxiale du super-réseau de type 2 (T2SL) des photodétecteurs infrarouge à ondes longues (LWIR). De plus, travailler avec un semi-conducteur fortement dopé offre la possibilité de modifier la fréquence de résonance en ajustant la densité de porteurs libres par action d’une différence de potentiel. J’étudie des architectures de composants "GMR" (Guided-mode resonance), usuellement formées d’un guide d’onde en diélectrique, siège de la résonance, et d’un réseau en diélectrique ou en métal permettant le couplage entre l’onde incidente ou transmise et le mode guidé grâce aux ordres ±1 diffractés par le réseau dans la couche mince. La tendance actuelle est d’intégrer ces composants directement au niveau du pixel de détection mais au prix de nombreuses étapes de fabrication. J’étudie la possibilité d’utiliser exclusivement des semi-conducteurs pour simplifier le procédé de fabrication et permettre une intégration monolithique du filtre au détecteur. Le guide d’onde est constitué d’un semi-conducteur intrinsèque et le réseau en semi-conducteur fortement dopé. La gamme spectrale d’intérêt se situe dans l’infrarouge lointain (8 μm - 14 μm).Dans un premier temps, les démonstrations théorique et expérimentale d’un filtre spectral nanostructuré tout semi-conducteur pour l’infrarouge fondé sur la résonance de mode guidé ont été effectuées. J’ai dimensionné puis fabriqué un échantillon dont la première étape consiste en le dépôt par épitaxie d’une couche de GaSb et d’une couche de InAsSb fortement dopé sur un substrat en GaAs avant une étape de photolithographie pour définir le masque de la gravure ionique réactive afin d’obtenir le réseau de diffraction. Un travail expérimental a ensuite permis de caractériser le composant (mesure sous incidence normale, étude angulaire, mesure à basse température) avec notamment la réalisation d’un banc de caractérisation angulaire. En parallèle, j’ai étudié un empilement approprié de matériaux dopés permettant, par application d’une tension électrique, de déplacer les électrons libres issus du dopage dans le réseau et le guide, ce qui modifie alors localement l’indice de réfraction et donc directement les conditions de guidage de la lumière par variation de phase. Différentes approches ont été présentées pour tenter d’ajuster la longueur d’onde de résonance du filtre spectral GMR : accumulation et déplétion des charges dans le réseau de diffraction, insertion d’une jonction P-N dans le guide d’onde, ...Enfin, une première brique pour l’intégration d’un T2SL dans un nano-résonateur optique pour réaliser un photodétecteur nanostructuré tout semi-conducteur a été étudiée. J’ai proposé́ la conception théorique de plusieurs nano-résonateurs intégrant un photodétecteur de type T2SL (filière InAs/GaSb). J’ai conçu trois architectures aux propriétés spectrales distinctes et qui diffèrent notamment par l’épaisseur de la couche de T2SL.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03164576 , version 1 (10-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03164576 , version 1

Citer

Clément Maës. Plasmonique active pour l’infrarouge sur semi-conducteur fortement dopé. Electronique. Université Montpellier, 2020. Français. ⟨NNT : 2020MONTS033⟩. ⟨tel-03164576⟩
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