Missions

L'équipe Photonique THz de l'Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) souhaite recruter un Chercheur en CDD (24 mois). L’objectif du travail sera la conception et la caractérisation optoélectronique de photo-détecteurs couplés a des antennes plasmoniques pour la détection de radiation moyen-infrarouge (5-15 µm de longueur d’onde).

Activités

Le candidat sera chargé de la conception et de la caractérisation électrique et optique des photo-détecteurs. Pour ce faire, il devra effectuer les tâches suivantes:
- Design électromagnétique et quantique des antennes et de la zone active des photo-détecteurs à l’aide des codes de simulation aux éléments finis. Objectif principal: obtenir un modèle prédictif pour l’optimisation de la photo-réponse, en fonction de la géométrie du réseau d’antennes, du niveau de dopage etc
- Caractérisation électrique et optique des photo-détecteurs à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier et par illumination avec lasers à cascade quantique (QCL). Objectifs principaux : détermination de la réponse spectrale des antennes et de photo-détecteurs en fonction de la température; mesure du courant d’obscurité et de la responsivité.
- Mesure de la réponse en fréquence dans la gamme 0-220GHz par mélange hétérodyne de QCL. Cette tache comporte l’upgrade d’un banc de mesure existant et fonctionnant à T-ambiante, afin d’étendre la mesure de la réponse en fréquence à la gamme de températures 77K-300K
- Mesures du temps de réponse des photo-détecteurs à l’aide d’impulsions fs dans l’infrarouge moyen (pompe optique – sonde optique ; pompe optique – sonde électrique par oscilloscope rapide). Cette tâche comporte la mise en place 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 cette mission, le chercheur recruté s'appuiera sur l'expertise des membres de l’équipe Photonique THz, ainsi que de l'ensemble des personnels de la salle blanche. En particulier, la croissance épitaxiale des couches semi-conductrices ainsi que la fabrication des photo-détecteurs seront effectuées dans la salle blanche du Laboratoire par du personnel dédié.

Compétences

• Candidat motivé, indépendant, rigoureux, capable de prendre l’initiative et d’apporter de nouvelles idées.
• Candidat capable de travailler en équipe.
• Connaissances solides en électromagnétisme, optoélectronique et mécanique quantique.
• Expérience dans la caractérisation des dispositifs optoélectronique et/ou en optique expérimentale.
• Compétences souhaitées dans la simulation électromagnétique avec des logiciels de simulation de type CST Microwave, HFSS ou Lumerical.
• Bon niveau d’anglais (parlé et écrit)

Contexte de travail

Le spectre du Moyen Infra Rouge (MIR) fait appel à des technologies très variées dans les domaines de l’optique et de l’optoélectronique. Dans ce contexte l’équipe «Photonique THz» de l’IEMN (pour le publications du groupe voir [1]) qui propose ce contrat - développe depuis plusieurs années des photoconducteurs dont la bande passante électrique atteint à présent la centaine de GHz, un record de performance à ce jour [2-4]. Ces composants, à base de semi-conducteurs III-V, sont constitués de réseaux de photo-détecteurs à puits quantiques, couplés à des antennes plasmoniques [5], et leurs caractéristiques sont bien adaptées pour de nombreuses applications telles que la spectroscopie et la détection de gaz, l’imagerie cohérente, les télécommunications en espace libre, ou l’astrophysique [6-8]. Dans notre travail nous avons notamment pu démontrer que la bande passante électrique des détecteurs est limitée par le temps employé par les électrons photo-excités au-dessus des barrières de potentiel pour retourner dans le 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 bien le niveau d’énergie de l’état excité. La bande passante peut donc potentiellement être modulée, et notamment étendue en modifiant le design quantique des photo-détecteurs. C’est l’un des aspects que l’on souhaite 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 ongle « Activités » pour plus de détails).

Un autre point clef est celui des antennes plasmoniques. Ces dernières permettent en effet d’obtenir une surface de collection de la radiation MIR incidente supérieure à la surface physique des détecteurs, permettant ainsi de réduire le bruit de détection et donc d’augmenter la sensibilité par rapport aux dispositifs traditionnels. A présent, les photo-détecteurs emploient des antennes de type patch, mais nous souhaitons désormais explorer d’autres types d’antennes permettant une collection de la lumière incidente encore plus efficace.

Du point de vue des performances, l’objectif de ce projet est celui de démontrer une nouvelle génération de photo-détecteurs dans la gamme 8-12μm, permettant notamment une augmentation de la responsivité d’un facteur 2-3 par rapport à l’état de l’art, et une extension de la bande passante électrique allant jusqu’à 200 GHz.
Cette activité de recherche se déroulera dans le cadre du projet COMPTERA financé par l’ANR, en collaboration avec l’ENS Paris et le CEA-LETI de Grenoble. Les enjeux de ce projet sont importants puisqu'il s'agit de démontrer la faisabilité de détecteurs MIR sans équivalent aujourd'hui, adaptés à de nombreuses applications.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Informations complémentaires

[[1] https://haltools.archives-ouvertes.fr/Public/afficheRequetePubli.php?collection_exp=IEMN&solrQuery=authIdHal_s%3Ajean-francois-lampin+OR+authIdHal_s%3Aemilien-peytavit+OR+authIdHal_s%3Aguillaume-ducournau+OR+authIdHal_s%3Amathias-vanwolleghem+OR+authIdHal_s%3Astefano-barbieri+OR+authIdHal_s%3Aromain-peretti+OR+rteamStructAcronym_s%3A%22PHOTONIQUE+THZ+-+IEMN%22&CB_auteur=oui&CB_titre=oui&CB_identifiant=oui&CB_article=oui&CB_vignette=oui&langue=Anglais&tri_exp=annee_publi&tri_exp2=typdoc&tri_exp3=date_publi&ordre_aff=TA&CB_rubriqueDiv=oui&Fen=Aff&css=../css/VisuRubriqueEncadre.css
[2] Q. Lin et al., “Real-time, chirped-pulse heterodyne detection at room temperature with 100 GHz 3-dB-bandwidth mid-infrared quantum-well photodetectors”, Optica 10, 1700 (2023)
[3] M. Hakl et al., “Ultrafast Quantum-Well Photodetectors Operating at 10 μm with a Flat Frequency Response up to 70 GHz at Room Temperature,” ACS Photon. 8, 464 (2021)
[4] G. Quinchard, C. Mismer, M. Hakl, et al., “High speed, antenna- enhanced 10.3 μm quantum cascade detector,” Appl. Phys. Lett. 120, 091108 (2022).
[5] D. Palaferri, et al. “Room-temperature 9-μm wavelength photo- detectors and GHz-frequency heterodyne receivers,” Nature 85, 556 (2018)
[6] N. A. Macleod, et al. “Broadband standoff detection of large molecules by mid-infrared active coherent laser spectrometry,” Opt. Expr. 23, 912 (2015)
[7] H. Dely et al., “10 Gbit/s free space data transmission at 9 μm wavelength with unipolar quantum optoelectronics,” Laser Photon. Rev., 16, 2100414 (2022)
[8] D. D.S.Hale, et al. “ The Berkeley infrared spatial interferometer: a heterodyne stellar interferometer for the mid-infrared,” Astrophys. J. 537, 998 (2000)