Nouvelles architectures de détecteurs infrarouge à super-réseaux

New architectures for infrared superlattices detector

• Auteur / Autrice : Vignesh Arounassalame
• Direction : Isabelle Ribet, Philippe Christol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Yvan Sortais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Barbieri, Olivier Gravrand, Francesca Carosella, François Julien, Marie Delmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Barbieri, Olivier Gravrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport quantique

Optoélectronique

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Superréseaux

Mots clés libres

Super-réseaux

Détecteur infrarouge

Pixels clignotants

Superlattices

Infrared detector

Blinking pixels

Résumé

Cette thèse effectuée au sein de l’équipe DOTA de l’ONERA Palaiseau, en collaboration étroite avec l’IES de l’Université de Montpellier, porte sur l’étude et la caractérisation électro-optique de détecteurs infrarouge à super-réseaux (SR).L’objectif était d’améliorer la compréhension du fonctionnement de l’architecture à « bariode » qui permet de réduire le courant d’obscurité du photodétecteur comparée à l'architecture classique PIN. Mes travaux se sont d’abord portés sur la viabilité de la filière pour le fonctionnement à haute température, par l’évaluation de deux critères essentiels sur un détecteur SR commercial refroidi à 80K : les pixels clignotants et leur impact sur la stabilité temporelle. L’étude montre un faible nombre de pixels clignotants et un impact limité. J’ai ensuite développé un banc cryogénique de caractérisation électro-optique pour des monoéléments SR InAs/GaSb LWIR 80K et SR InAs/InAsSb MWIR 150K. L’étude des monoéléments LWIR a montré des performances encourageantes, mais l’évaluation de son rendement quantique a été rendue difficile à cause d’une gravure particulière (dite « shallow-etch ») qui nécessite de prendre en compte une surface supplémentaire due à la diffusion latérale des porteurs photogénérés. C’est pourquoi, une démarche plus fine a été mise en place pour l’étude du SR InAs/InAsSb. Cette démarche m’a ensuite permis d’extraire les longueurs de diffusion des porteurs et d’en déduire les mobilités associées. Les valeurs extraites montrent que le transport par minibande, caractéristique fondamentale des SR, ne se fait pas à cause de mécanismes de diffusion élastiques. L’ensemble des résultats nous a permis d’établir une méthodologie standard d’étude et d’optimisation des bariodes SR et de confirmer la potentialité de la filière à haute température.

This thesis, carried out in the DOTA team of ONERA Palaiseau, in close collaboration with the IES of the University of Montpellier, deals with the study and the electro-optical characterization of superlattices infrared detectors (SL).The objective was to improve the understanding of the operation of the "bariode" architecture (instead of the PIN diode) in order to reduce the dark current of the photodetector. My work first focused on the reliability for high temperature operation, by evaluating two key criteria on a commercial SL detector cooled at 80K: blinking pixels and their impact on the temporal stability. The study shows a low number of blinking pixels and a limited impact. I then developed a cryogenic bench for electro-optical characterization for the SL InAs/GaSb LWIR 80K and the SL InAs/InAsSb MWIR 150K monoelements. The study of LWIR monoelements showed encouraging performances, but the evaluation of its quantum efficiency was made difficult because of a particular etching (called "shallow-etch") which requires to take into account an additional surface due to the lateral diffusion of the photogenerated carriers. This is why a more detailed approach was implemented for the study of the SL InAs/InAsSb. This approach allowed me to extract the diffusion lengths of the carriers and to deduce the associated mobilities. The extracted values show that the miniband transport, a fundamental characteristic of SLs, does not occur because of elastic scattering mechanisms. All the results allowed us to establish a standard methodology for the study and optimization of SL bariodes and to confirm their potentiality for high temperature operation.