Design and study of nanostructured photodetectors for the long wave infrared
Étude et réalisation de photodétecteurs nanostructurés pour l'infrarouge
Résumé
The research work presented in this manuscript is part of the technological monitoring efforts led at the ONERA on the increase of performances of infrared photodetectors. Technological readiness of Super-lattice based detectors has evolved from lab-only research topic to mature technology capable of being awarded contracts. Its operability for focal plan array detectors, its high absorption leading to good quantum efficiencies and its low dark current are a few of the advantages that make this technology a good competitor to the other technologies available for infrared detection. However, contrary to its theoretical material superiority this technology generally stays behind MCT based detectors in terms dark current and external quantum efficiencies. Dark current is one of the key challenges for infrared photodetection since it limits the use of the device to cryogenic temperatures. Such device therefore requires the use of a cryocooler. This goes against the size weight and power requirements and these tend to be bigger heavier and to consume more energy, the lower the temperature required for the detector is. Different solutions are currently in study in order to reduce the dark current of detectors and increase their operating temperature for the same performances. To reduce the thickness of the detector, which is generally of several microns, is such solution. The consequent absorption decrease can be mitigated by the use of resonant structures in which the detector is integrated. Such light-trapping structures are often made out of metal and increase the complexity of the manufacturing process. However, these structures can be made out of heavily doped semiconductor that are more compatible with the epitaxy of the detectors. In this manuscript, we present the design and characterization of three all-semiconductor devices including a detector: one including a 550 nanometer-thick detector in a Fabry-Perot resonator and two multiresonant structures, one based respectively on a 300 nanometer-thick detector, the second one based on a 1.6 micron-thick detector, in which the detector is placed between a grating and a mirror. The Fabry-Perot sample (C2032-FP) has been characterized both optically and electro-optically. Its results are compared to those of a reference sample (C2000-REF) including the same detector without resonant cavity. Optical characterization showed the resonance. Electro-optical characterization showed an advantageous evolution of dark current with respect to temperature compared to literature. It also showed a twofold increase of the external quantum efficiency at the resonance compared to the reference structure, coherent with the 2.7 factor increase available in the literature for Fabry-Perot resonator. Optical characterization of the multiresonant structures showed the dependence of the etching process to the crystalline direction and that the insufficient etching was detrimental to the final absorption spectra. It proved the suitability of such structure for wide band absorption either polarization sensitive or not. Finally, we proposed theoretical study of quantum well-based structures to achieve electrical tunability of the reflected or transmitted spectrum through quantum confined Stark effect. These simulations led us to propose two structures: one based on guided mode resonance and the other based on plasmonic resonance. Design of a device allowing tenability of the detector could be based on these structures.
Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'inscrivent dans les efforts de veille technologique menés à l'ONERA sur l'amélioration des performances des photodétecteurs infrarouges. Depuis ses débuts, la filière super-réseau a vu sa maturité technologique évoluer passant du statut de filière à l'étude dans les laboratoires de recherche à celui de filière technologiquement mature remportant des contrats industriels. Ses avantages en termes d'opérabilité pour les détecteurs matriciels, son absorption décente menant à des bons rendements et son courant d'obscurité relativement faible lui ont permis de faire concurrence aux autres technologies en place. Cependant malgré ses promesses initiales de limitations inférieures dues au matériau, elle reste généralement moins performante dans le LWIR que sa concurrente principale, la filière HgCdTe, pour le courant d'obscurité et le rendement quantique externe. Or, le courant d'obscurité est l'un des enjeux majeurs de la photodétection infrarouge puisqu'il impose un refroidissement à des températures cryogéniques du détecteur. Ces détecteurs nécessitent donc l'utilisation de machine à froid d'autant plus volumineuses, lourdes et consommatrices d'énergie que la température de fonctionnement à atteindre est basse. Plusieurs solutions technologiques sont donc à l'étude pour l'abaissement du courant d'obscurité permettant ainsi l'augmentation des températures de fonctionnement à performances égales. La réduction de l'épaisseur du détecteur (traditionnellement de plusieurs micromètres) est l'une de ces solutions. La chute d'absorption qui en est la conséquence peut être compensée par l'intégration de celui-ci dans une structure piégeant la lumière aux longueur d'ondes de détection. Conventionnellement réalisées en métal, le dépôt de ces structures complexifie la fabrication de tels détecteurs. Cependant, de telles structures peuvent aussi être réalisées en semiconducteurs fortement dopés, offrant une meilleure flexibilité et une meilleure compatibilité avec les technologies de croissance des détecteurs. Dans ce manuscrit, nous présentons la conception et la caractérisation de trois structures résonantes en tout semiconducteur intégrants un détecteur : l'une reposant sur une cavité Fabry-Perot intégrant un détecteur de 550 nm; deux structures multirésonantes l'une fine de 300 nm, l'autre de 1,6 μm, intégrant le détecteur entre un réseau supérieur et un miroir arrière. La structure Fabry-Perot (C2032-FP) a pu être caractérisée optiquement comme électro-optiquement aux côtés d'un échantillon de référence (C2000-REF) proposant le même détecteur sans cavité résonante. Les mesures optiques ont permis de montrer l'apparition de la résonance. Les caractérisations électro-optiques ont révélé une évolution du courant d'obscurité avec la température avantageuse comparée à la littérature ainsi qu'un gain d'au moins un facteur deux en rendement quantique externe par rapport à la structure de référence. Ceci est cohérent avec la valeur trouvée dans la littérature pour une structure de ce type résonant à 10 µm (facteur 2,7). Les deux structures multirésonantes ont été caractérisées optiquement. Ces mesures ont mis en évidence que la dépendance de la gravure à la direction cristalline ainsi que la présence résiduelle d'un fond de gravure pouvaient fortement influencer le spectre d'absorption final des structures. Elles ont cependant prouvé que l'utilisation de telles structures peut mener à la réalisation de structure à large bande d'absorption, polarisante ou non. Enfin une étude théorique a été menée afin d'évaluer la faisabilité de structures accordables, intégrants des puits quantiques en plus du détecteur et reposant sur l'effet Stark. Ces efforts de simulation nous ont permis de proposer deux structures, l'une reposant sur une résonance de mode guidé, l'autre plasmonique, qui pourraient permettre un accord spectral électrique du détecteur.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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