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Theses Year : 2013

New concepts of photodetectors integrating 2D/3D nanoresonators

Concepts 2D et 3D de résonateurs sub-longueur d'onde pour application à la photodétection

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Abstract

This work was focused on quantum detectors in the short wave infrared (SWIR). We aimed at improving the performance of these devices (spectral properties & noise sensitivity) by exploring original concepts of detectors integrating 2D or 3D nano-resonators. In order to facilitate the numerical analysis of these structures, we developed at first a new method for modelling 3D resonators, based on the Finite Integration Technique (FIT). The matrices in the modal equations are highly sparse, which enables the use of specific algorithms for faster calculation. After that, we studied two separate designs of photodetecting devices : 1. We investigated the performance of an uncooled photodetector, based on two-photon absorption (TPA) in a gallium arsenide layer. Single photons are not absorbed in the semiconductor above 900 nm, but non-linear effects enable the simultaneous absorption of photon pairs ; however, they also have a low efficiency. In our design, the semiconductor material was introduced inside a nanostructured resonant cavity. We evidenced both numerically and experimentally an increase of the TPA inside the cavity by several orders of magnitude, due to strong field enhancement. 2. In a similar approach, we worked on reducing the noise level in indium gallium arsenide photodetectors. At present, the main contributor to this noise is the dark current due to generation-recombination processes, which can be decreased by reducing the semiconductor volume. To prevent the absorption from decreasing also, we designed nanostructured cavities enabling light trapping inside the semiconductor layer. In some cases, the resonances lead to the generation of photocarriers being highly localised, an interesting concept for noise reduction which has been patented.
Les travaux de cette thèse ont porté sur les photodétecteurs quantiques pour le proche infrarouge. Pour améliorer les performances de ces détecteurs (propriétés spectrales et sensibilité au bruit thermique), nous avons étudié des concepts originaux intégrant des nanorésonateurs 2D et 3D. Dans un premier temps, afin de faciliter l'analyse numérique de ces structures, nous avons développé un nouveau code de simulation spécifique aux résonateurs 3D, basé sur la technique d'intégration finie. Les matrices associées aux équations sont creuses, ce qui permet d'avoir recours à des algorithmes spécifiques pour accélérer les calculs. Dans un deuxième temps, nous avons proposé deux concepts de photodétecteurs : 1. Nous avons étudié un concept de photodétecteur non refroidi, basé sur la détection à 2 photons dans de l'arséniure de gallium. Ce matériau semiconducteur n'absorbe pas de photons individuels de longueur d'onde supérieure à 900 nm ; en revanche des effets non linéaires permettent l'absorption des photons par paire, avec toutefois une probabilité très faible. L'intégration de cavités résonantes nanostructurées dans ces détecteurs permet un gain sur cette absorption de plusieurs ordres de grandeur, en confinant le rayonnement dans un faible volume de semiconducteur. Cela a pu être démontré numériquement et expérimentalement, avec la fabrication et la caractérisation d'un démonstrateur. 2. En parallèle, nous avons travaillé sur la réduction du bruit dans des photodétecteurs à base d'arséniure d'indium gallium. Dans ces détecteurs, le bruit est lié essentiellement au courant d'obscurité du détecteur, et peut être réduit en diminuant le volume de semiconducteur. Là encore, nous avons cherché à compenser l'absorption plus faible du rayonnement à l'aide de cavités résonantes nanostructurées. Celles-ci induisent notamment une localisation importante de la génération des photoporteurs dans le semiconducteur. Ce concept a fait l'objet d'un dépôt de brevet.
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Dates and versions

pastel-00933300 , version 1 (20-01-2014)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00933300 , version 1

Cite

Benjamin Portier. Concepts 2D et 3D de résonateurs sub-longueur d'onde pour application à la photodétection. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00933300⟩
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