Détecteurs de photons uniques à base de semiconducteurs du groupe IV

La détection de photon uniques a considérablement fait avancer le développement des technologies de traitement de l’information quantique, mais trouve également un grand nombre d’applications en astronomie, dans le monde des capteurs, la métrologie, ou encore les LIDARs (1). Les détecteurs de photons uniques demandent un haut rendement quantique (>90%), un faible taux de comptage sous obscurité, et une réponse ultra rapide. Les nanofils supraconducteurs permettent d’atteindre les performances à l’état de l’art du visible à l’infra-rouge (jusqu’à ~2µm), cependant leur grand coût et leur fonctionnement aux températures cryogéniques (~4 K) limitent leur domaine d’application.

Une alternative prometteuse repose sur l’utilisation de composants comprenant des réseaux de nanofils III-V (2) permettant de détecter des photons uniques dans le proche infra rouge. La géométrie mono dimensionnelle du nanofil renforce considérablement l’absorption de la lumière, tout en permettant d’accorder le pic d’absorption sur une large gamme spectrale (3), principalement limitée par la bande interdite du semiconducteur. Au cours de la dernière décennie, d’énormes progrès ont été accomplis dans l’épitaxie de matériaux du groupe IV, et plus particulièrement dans la croissance de GeSn sur plaquette de silicium, alliage connu pour présenter une bande interdite directe au-delà d’une incorporation de ~9% de Sn dans la matrice de Ge (4). Des photodétecteurs, des lasers, des LEDs fonctionnant de l’infra rouge proche (SWIR : 1.5-3 µm) à l’infra rouge moyen (3-8 µm) ont été démontrés dans cette famille d’alliage GeSn.

L’étudiant devra repousser les limites actuelles des détecteurs planaires classiques en GeSn afin d’élaborer des composants à base de réseaux de nanofils de GeSn gravés afin d’atteindre des caractéristiques de comptage de photon unique. Les matériaux de départ seront des couches minces de GeSn intégrant une jonction pin, que l’étudiant devra lithographier (lithographie électronique), graver (ICP-RIE) puis planariser afin de connecter électriquement le composant. La détection de photons uniques SWIR sera caractérisée via l’utilisation de sources de photons uniques. Ce travail comprend un volet simulation des propriétés d’absorption de photon et de transport électronique dans les structures, un volet élaboration en salle blanche, et enfin un volet caractérisation optoélectronique (mesure de détectivité, de bruit, de dynamique).

1. C. J. Chunnilall, I. pietro Degiovanni, S. Kück, I. Müller, A. G. Sinclair, Optical Engineering. 53, 081910 (2014).

2. M. E. Reimer, C. Cher, Nat Photonics. 13, 734–736 (2019).

3. A. Attiaoui et al., Phys Rev Appl. 15, 014034 (2021).

4. O. Moutanabbir et al., Appl Phys Lett. 118, 110502 (2021).

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