Transports electronique dans les super-réseaux : applications aux détecteurs infrarouges à grandes longueur d'onde

Electronic tranport in superlattice and its application to high wavelength infrared detection

• Auteur / Autrice : Emmanuel Lhuillier
• Direction : Emmanuel Rosencher, Isabelle Ribet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique du solide
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Superréseaux

Simulation par ordinateur

Puits quantiques

Théorie du transport des électrons

Chromodynamique quantique

Résumé

L'imagerie infrarouge bas flux requiert des détecteurs grandes longueurs d'onde de hautes performances. Les détecteurs à puits quantiques (QWIP), de par la maturité de GaAs, la facilité à ajuster la longueur d'onde détectée sur une très large gamme et la possibilité de réaliser de larges matrices uniformes constituent d'excellents candidats pour ces applications. Afin de confirmer leur intérêt nous avons procédé à la caractérisation électro-optique fine d'un composant QWIP détectant à 15µm. Les performances mesurées ont été utilisées pour simuler celles d'une caméra basée sur ce détecteur et dédiée à un scénario faible flux et ont permis de valider la capacité de la filière QWIP à répondre à de telles missions infrarouges. Ces simulations ont aussi mis en évidence le rôle extrêmement préjudiciable joué par le courant d'obscurité. Nous avons alors mis au point une simulation basée sur un code de diffusion entre états localisés qui nous a permis de mieux appréhender le transport dans ces structures. Un important travail de développement de l'outil de simulation a été nécessaire. Ce code a révélé le rôle déterminant du profil de dopage sur le niveau de courant d'obscurité. Nous avons ainsi pu réaliser de nouvelles structures aux profils de dopage optimisés et dont le niveau de courant d'obscurité est abaissé de 50%. Nous avons par ailleurs pu apporter une interprétation quantique à la forme des courbes I(V) observée. Mais notre code de simulation s'avère plus généralement un outil puissant de simulation du transport dans les hétérostructures. L'influence des défauts de croissance (défauts d'interface et désordre) a pu être quantifiée et nous avons pu apporter les premières prédictions de performances de QCD THz. Enfin l'influence des effets non locaux sur le transport a été étudiée. L'observation de dents de scie sur les courbes I(V) de QWIP a pu être modélisée et son influence sur la détectivité évaluée.

The low flux infrared imaging needs performant high wavelength detectors. Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP), thanks to the maturity of GaAs, the possibility to adjust the detected wavelength on a large range and to realize large uniform matrix are good candidate for such applications. In order to validate this interest, we have performed an electro-optic characterization of a 15µm sample. These measurements have been used to simulate the performance of a camera based on this QWIP and used in a low infrared photons flux scenario. We predict that this QWIP would succeed. Nevertheless these simulations also underline the detrimental role of the dark current. Thus we have developed a simulation tool based on a hoping approach between localized states, which provide us a better understanding of the transport in these heterostructures. The code has in particular underlines the role plays by the electron –ionized impurities interaction, which make the dark current very sensitive to the doping profile. Using this tool we have designed new structures, with optimized doping profile, in which the scattering rate has been decreased by a factor two. Moreover we have identified a quantum origin to the plateau shape of the I(V) curve. This code is more generally a useful simulation tool for the transport in hétérostructures. The influence of growth defects (non ideal interface and disorder) has been quantized and we have performed the first evaluation of The R0A in a THz QCD. Finally non local transport effects have been investigated. Saw teeth observation on the I(V) curves have been modeled and their influence on the detectivty estimated.