Description du sujet de thèse

Le projet de thèse vise à développer des sources de photons uniques émettant à 1,55 µm à partir de boîtes quantiques InAs obtenues par épitaxie sélective sur substrat InP. Il prévoit d’une part la croissance et la caractérisation morphologique et optique des boîtes quantiques et d’autre part le développement de mirroirs de Bragg à haut facteur de qualité sur substrat InP favorisant l’ultra-brillance des sources de photons.
Bien que cette technologie existe pour le système de matériaux GaAs/AlAs, les sources sur substrat GaAs ne peuvent pas émettre à 1,55 μm, une longueur d'onde très importante pour les communications quantiques fibrées et des applications telles que la distribution de clés quantiques, la cryptographie quantique et l'informatique quantique distribuée. Jusqu'à présent, l'obtention de photons uniques très purs et indiscernables à 1,55 μm a été limitée à la conversion de fréquence ou l’utilisation de MoTe2 mais les résultats en terme d’indissociabilité et de brillance restent limités. Grâce aux progrès réalisés ces dernières années à l’IEMN dans la nanofabrication de masque de croissance sélective pour l’épitaxie, il est possible aujourd’hui d’envisager la définition d’un masque en oxyde de silicium présentant des ouvertures avec un diamètre inférieur à 30 nm. D’autre part, la maîtrise de l’épitaxie sélective de semiconducteurs III-V démontrée au sein du groupe EPIPHY pour la croissance de nanofils planaires [1] pourra être mise à profit pour la croissance des boîtes InAs dans ces ouvertures nanométriques. Concernant l’épitaxie des mirroirs de Bragg, le doctorant bénéficiera de l’arrivée en 2025 d’un nouveau réacteur de croissance pourvu d’un système permettant de contrôler précisément la composition des alliages par la mesure en temps réel de la courbure du substrat engendrée par les contraintes de la couche épitaxiée.
Grâce au caractère déterministe de cette technologie permettant de localiser précisément les boîtes quantiques à la surface du substrat, nous espérons améliorer significativement le rendement et les possibilités d’intégration de ces sources tout en atteignant des taux d'émission de photons uniques ultra-élevés dépassant l'efficacité d'extraction de 17 % constatée dans la littérature.
Pendant sa thèse, le candidat sera formé sur différentes technologies de nanofabrication incluant l’épitaxie par jets moléculaires et la lithographie électronique mais aussi sur différentes techniques de caractérisations morphologiques (AFM), structurales (XRD) et optiques (PL) lui permettant de démontrer l’émission de photons uniques par les boîtes quantiques.

Références :
[1] Desplanque et al 2018 Nanotechnology 29 305705

Contexte de travail

Le travail de thèse se déroulera à l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) situé à Villeneuve-d’Ascq près de Lille en région Hauts-de-France. L'IEMN est un laboratoire de recherche regroupant 500 personnes (professeurs, chercheurs internationaux, ingénieurs, techniciens et étudiants) issues du CNRS, de l'Université de Lille, de l'Université Polytechnique Hauts de France et des écoles d’ingénieurs Centrale Lille et Junia-ISEN. Le cœur du laboratoire est centré sur les micro et nanotechnologies et leurs applications dans les domaines de l'information, de la communication, des transports et de la santé. Nos chercheurs disposent de moyens expérimentaux exceptionnels, en particulier de moyens technologiques et de caractérisation dont les capacités et les performances sont au plus haut niveau européen. L'IEMN fait partie du réseau RENATECH de grands centres technologiques.
Pendant sa thèse, le/la candidat(e) travaillera en salle blanche et sera formé(e) sur différentes technologies de nanofabrication incluant l’épitaxie par jets moléculaires et la lithographie électronique mais aussi sur différentes techniques de caractérisations morphologiques (AFM), structurales (XRD) et optiques (PL) lui permettant de démontrer l’émission de photons uniques par les boîtes quantiques. Il/elle bénéficiera du co-encadrement d’un expert en épitaxie et fabrication de nanodispositifs, d’un expert en phénomènes quantiques et caractérisations optiques et d’un expert en caractérisation champ proche et matériaux quantiques. Cet objectif de formation vise à développer les compétences du doctorant dans le domaine des technologies quantiques à la fois sur le plan de l’ingénierie et sur celui de la physique. Une collaboration avec le Centre de recherche de Jülich en Allemagne sera également possible pour étudier les propriétés structurales des matériaux épitaxiés par microscopie électronique à transmission.

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.

Contraintes et risques

L'activité du doctorant comprend une grande partie de travail en salle blanche.