Une bourse postdoctorale. Conception et caractérisation optoélectronique de photodétecteurs ultra-rapides à puits quantiques couplés à une antenne dans l’infrarouge moyen

L’équipe THz Photonique de l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) recherche un post-doctorant en CDD (24 mois). L’objectif du travail sera la conception et la caractérisation optoélectronique de photo-détecteurs couplés à des antennes plasmoniques pour la détection du rayonnement infrarouge moyen (longueur d’onde 5-15 µm).

Le candidat sera responsable de la conception et de la caractérisation électrique et optique des photodétecteurs. A cet effet, il devra réaliser les tâches suivantes :
– Conception électromagnétique et quantique des antennes et de la région active des photodétecteurs à l’aide de codes de simulation par éléments finis. Objectif principal : obtenir un modèle prédictif en fonction de la géométrie du réseau d’antennes, du niveau de dopage etc.
– Caractérisation électrique et optique des photodétecteurs par spectromètre à transformée de Fourier et par illumination avec lasers à cascade quantique (QCL). Objectifs principaux : détermination de la réponse spectrale des antennes et photodétecteurs en fonction de la température ; mesure du courant d’obscurité et de la réactivité.
– Mesure de la réponse en fréquence dans la gamme 0-220GHz par mélange hétérodyne QCL. Cette tâche implique la mise à niveau d’un banc optique existant fonctionnant à température ambiante, afin d’étendre la mesure de la réponse en fréquence à la plage de température 77K-300K.
– Mesures du temps de réponse des photodétecteurs par impulsions fs infrarouge moyen (pompe optique – sonde optique ; pompe optique – sonde électrique par oscilloscope rapide). Cette tâche implique la mise en œuvre d’un système de génération d’impulsions fs dans l’infrarouge moyen par différence de fréquence dans un cristal non linéaire pompé par un OPO proche infrarouge présent au Laboratoire.

Pour mener à bien ce projet, le postdoctorant recruté s’appuiera sur l’expertise des membres de l’équipe THz Photonics, ainsi que sur tout le personnel de la salle blanche. En particulier, la croissance épitaxiale des couches semi-conductrices ainsi que la fabrication des photodétecteurs seront réalisées en salle blanche du Laboratoire par du personnel dédié.

Le spectre Mid Infrared (MIR) couvre une large gamme de fréquences (20-60 THz – 15-5μm), ce qui fait appel à une grande variété de technologies dans les domaines de l’optique et de l’optoélectronique. Dans ce contexte l’équipe THz Photonics (pour les publications THz-Photonics-Group, voir [1]) développe depuis plusieurs années des détecteurs MIR ultrarapides basés sur des hétérostructures semi-conductrices III-V [2-4]. Aujourd’hui, ces détecteurs ont atteint des bandes passantes radiofréquence (RF) de 3 dB d’environ 100 GHz, une performance inégalée à ce jour. Ils sont constitués de réseaux de photodétecteurs à puits quantiques (QWIP) couplés à des antennes plasmoniques [5], et leurs caractéristiques sont bien adaptées à de nombreuses applications telles que la spectroscopie, l’imagerie cohérente, les communications en espace libre [6-8].

Dans nos travaux, nous avons pu démontrer que la bande passante électrique des détecteurs est limitée par le temps nécessaire aux électrons photo-excités au-dessus des barrières de potentiel pour se recombiner au niveau fondamental des puits quantiques [2,3]. Ce dernier, appelé temps de capture, est de l’ordre de quelques ps et dépend notamment de paramètres tels que la largeur des barrières de potentiel ou le niveau d’énergie de l’état excité. La bande passante peut donc potentiellement être modulée, et notamment étendue, en modifiant la conception quantique des photodétecteurs. C’est l’un des aspects que nous souhaitons explorer et quantifier expérimentalement dans ce projet, à la fois par des mesures de bande passante par mélange hétérodyne, ainsi que par des mesures dans le domaine temporel à l’aide d’impulsions fs (voir l’onglet « Activités » pour plus de détails).

Un autre point clé est donné par les antennes plasmoniques. En effet, ces antennes permettent d’obtenir une zone de collecte du rayonnement MIR incident plus grande que la surface physique des détecteurs, permettant ainsi une réduction importante du bruit de détection et donc d’augmenter la sensibilité par rapport aux dispositifs traditionnels. Actuellement, les photodétecteurs utilisent des antennes de type patch, mais nous souhaitons désormais explorer d’autres types d’antennes permettant une collecte encore plus efficace de la lumière incidente.

D’un point de vue performance, l’objectif de ce projet est de démontrer une nouvelle génération de photo-détecteurs dans la gamme 8-12μm, permettant notamment une augmentation de la réactivité d’un facteur 2-3 par rapport à l’état de l’art, et une extension de la bande passante électrique jusqu’à 200 GHz.
Cette activité de recherche se déroulera dans le cadre du projet COMPTERA financé par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche), en collaboration avec l’Ecole Normale de Paris et le CEA-LETI de Grenoble.