Lasers et détecteurs THz à cascade quantique dans les semiconducteurs à grand gap

par Arnaud Jollivet

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de François Julien.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 15-09-2015 .


  • Résumé

    La gamme spectrale du térahertz (THz) à la frontière entre l'électronique et la photonique offre un grand nombre d'applications dans le domaine médical, l'astrophysique, la détection de molécules, la sécurité ou le contrôle non-destructif de matériaux. Pour la plupart de ces applications, il est indispensable de disposer de détecteurs performants et de sources d'émission compactes fonctionnant à température ambiante. L'un des principes les plus prometteurs est la cascade quantique qui repose sur le saut quantique des électrons entre niveaux confinés de puits quantiques de semiconducteurs. Des détecteurs et des lasers à cascade quantique ont récemment été démontrés dans la gamme de fréquences THz en utilisant les semiconducteurs GaAs/AlGaAs. Néanmoins, ces lasers ne couvrent qu'une partie du spectre THz (1,2 à 5 THz) et ils ne fonctionnent qu'à température cryogénique. La raison fondamentale tient à la faible énergie du phonon optique dans le GaAs (36 meV). Les meilleurs candidats pour réaliser des dispositifs à cascade quantique fonctionnant à température ambiante dans une gamme spectrale très large sont les semiconducteurs possédant une énergie des phonons optiques très élevée comme GaN ou ZnO. L'un des dispositifs intersousbandes les plus aboutis réalisé au laboratoire est le détecteur infrarouge à cascade quantique GaN. L'équipe a aussi démontré les premières absorptions et l'électro-luminescence de puits quantiques GaN dans le THz. L'objectif de la thèse est de concevoir, de développer et d'étudier des détecteurs et lasers à cascade quantique à base de puits quantiques GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO fonctionnant dans la gamme spectrale THz. Il s'agira dans un premier temps d'étudier les propriétés de ces hétérostructures dans la gamme de fréquences THz et de simuler le confinement des électrons dans ces hétérostructures à l'aide d'outils de simulation disponibles au laboratoire puis de mener des expériences de spectroscopie optique d'absorption et de photodétection ainsi que des mesures électriques de transport et d'électroluminescence. Le (la) candidat(e) s'impliquera dans la fabrication des dispositifs à cascade quantique au sein de la centrale de nanotechnologie CTU-IEF-Minerve au sein du laboratoire et mènera à bien les expériences de caractérisation des dispositifs dans une large gamme de température (4-450 K). Cette thèse sera financée dans le cadre d'un projet européen en cours au laboratoire.

  • Titre traduit

    Thz quantum cascade lasers and detectors using wide band-gap semiconductors


  • Résumé

    The terahertz (THz) spectral region, located between the infrared and the microwave regions, is also known as “the THz gap” because of the lack of compact semiconductor devices. This spectral domain is currently intensively explored in view of its potential for medical diagnostics, security screening, trace molecule sensing, astronomical detection, space-borne imaging, non-invasive quality control or wireless communications with enhanced security and large information bandwidth. A prerequisite for many applications in the scientific domain (spectroscopy, astrophysics, space-borne imaging…) is the availability of compact-size, fast and low-noise THz photodetectors. The requirement for high detectivity imposes cryogenic cooling of the detector, and thus a main technological challenge is to increase the operating temperature. In turn, the availability of compact light sources operating at non-cryogenic temperatures is crucial for public-domain applications to emerge in the strategic THz frequency range. The PhD thesis is intended to tackle both issues, namely the development of high-detectivity THz quantum detectors with increased operating temperature with respect to existing technologies as well as THz lasers, both based on the quantum cascade (QC) concept and on wide band-gap semiconductors such as GaN/AlGaN and ZnO/ZnMgO material systems. One benefit of these materials is their large energy of optical phonons which opens prospects for QC devices in a broad spectral range (1-15 THz), which cannot be covered with other III-V semiconductors. The large optical phonon energy is also one key point for achieving room temperature operation of THz QC lasers, which appears to be out of range of current GaAs-based QC laser technology. The first objective of the thesis will be to demonstrate THz quantum cascade detectors (QCD). QCDs are formed by the repetition of active and extractor quantum well (QW) regions and rely on intersubband (ISB) absorption in the active QW and photo-excited electron transfer through the extractor from one period to the other. In contrast to existing THz quantum detectors such as GaAs QWIPs, these photovoltaic devices operate under zero bias and do not suffer from any dark current, which is one main advantage for increasing the operation temperature while benefiting from the maximum detectivity limited by the background (BLIP). The next objective of the thesis is to demonstrate THz QC lasers in the GaN/AlGaN and ZnO/ZnMgO material systems. The PhD candidate will make use of the advanced know-how acquired on the design, growth and processing of wide band-gap QCD devices to develop lasers operating at THz frequencies. The ultimate goal is to demonstrate spectrally narrow THz light emitting devices operating much above room temperature.