La mission JUICE de l’ESA sera la troisième mission d’exploration entièrement dédiée au système de Jupiter, et la première à se concentrer sur les lunes Galiléennes glacées susceptibles d’abriter des océans d’eau liquide. Prévue pour un lancement en 2022 et une insertion en orbite jovienne fin 2029, la sonde emportera parmi ses 11 instruments le spectro-imageur MAJIS. Les données d’un tel instrument comprennent une image à haute résolution spatiale de la zone étudiée et un spectre pour chacun des pixels de cette image. Ce spectre, dans la gamme allant de 0.5 à 5.5 µm, permet d’obtenir des informations physico-chimiques sur le contenu du pixel concerné. Le laboratoire où j’ai effectué mon travail de thèse, l’IAS, s’est vu confier la responsabilité de la réalisation de MAJIS. Dans ce contexte, l’objectif de mon travail était de contribuer à la définition et à l’implémentation de l’étalonnage de l’instrument : j’ai pour cela dû comprendre d’abord ses objectifs scientifiques et les exigences instrumentales qui en découlent, et maîtriser les caractéristiques des sous-systèmes qui composent MAJIS. J’ai tout d’abord traité les données de l’imageur intégral de champ de SPHERE, un instrument du VLT, qui avait observé la lune Galiléenne volcanique Io en 2014. Bien que ce satellite soit un objectif mineur de la mission JUICE, j’ai dû me confronter au fonctionnement de l’instrument pour en réduire les données et le traitement des spectres a requis le développement d’un modèle photométrique d’observation de la surface que j’ai pu confronter à la réalité et à d’autres études. L’identification de nombreux biais systématiques dans ces données et la quantification de ses limites de détection spatiales et spectrales m’ont permis de souligner l’aspect critique de la phase d’étalonnage de MAJIS pour que ses données soient exploitables. Avant cette étape toutefois, la connaissance des sous-systèmes qui vont constituer l’instrument est elle aussi nécessaire car certains de leurs paramètres conditionneront le déroulement de cet étalonnage et ils ne pourront pas tous être mesurés à cette occasion. J’ai donc caractérisé, à l’aide des bancs optiques dédiés à l’IAS, le plan focal de l’instrument et surtout son détecteur CMOS infrarouge de type HgCdTe. J’ai pu mesurer ses caractéristiques les plus courantes, comme son courant d’obscurité, sa profondeur de puits, son efficacité quantique, son éventuelle persistance, son bruit de lecture et la linéarité de sa réponse. Dans le cas d’une mission vers Jupiter, un autre aspect des performances du détecteur doit être étudié en détail : sa résistance aux radiations, particulièrement intenses dans la magnétosphère jovienne. J’ai pu effectuer une série de tests sur des détecteurs témoins avec des sources d’électrons, de protons et de photons de hautes énergies, qui m’ont permis de montrer la très bonne résistance du plan focal aux dégâts permanents. Ces données ont aussi permis de caractériser expérimentalement le signal transient induit par un bombardement aux électrons, ce qui m’a permis de valider l’approche de filtrage de ce signal qui sera implémentée en vol. C’est enfin grâce aux résultats de ces trois approches et au développement d’un modèle photométrique complet de l’instrument et de son dispositif d’étalonnage, que j’ai pu discuter l’architecture de ce dernier et proposer des séquences de mesure pour la campagne d’étalonnage. J’ai donc travaillé avec les ingénieurs du laboratoire et des industriels pour réaliser ce dispositif d’étalonnage, sélectionner les sources de lumière qui permettront la mesure de la réponse spatiale, spectrale et radiométrique de l’instrument nécessaires à l’interprétation de ses données au cours de la mission. Au moment de la rédaction de ce manuscrit, le banc d’étalonnage était en cours d’assemblage et j’ai donc pu conclure ce travail par la confrontation de mon modèle aux résultats expérimentaux de validation de certaines voies optiques du dispositif d’étalonnage. / The ESA JUICE mission will only be the third mission fully dedicated to exploring the Jupiter system, and the first with a specific focus on the icy Galilean moons that may harbor oceans of liquid water. Planned for launch in 2022 for a Jovian orbit insertion in late 2029, the probe will carry MAJIS among its 11 instruments, an imaging spectrometer operating from the visible to medium infrared wavelengths. This type of instrument provides very comprehensive data of the observed surface or atmosphere/exosphere: its high spatial resolution capability provides geomorphological information, such as the presence of craters or faults that mark the age and activity of the terrain, while for each pixel a spectrum is acquired. This spectrum, ranging from 0.5 to 5.5 $mu$m, yields physical and chemical information on the region of interest, thus placed in its geomorphic context. The Institut d'Astrophysique Spatiale, my PhD host laboratory, has a legacy of development of such instruments, prominently OMEGA aboard the 2003 Mars Express probe, of which MAJIS is the latest and current project. In this context, my work’s aim was to contribute to the definition and implementation of the instrument’s calibration: to achieve that I first had to understand its scientific objectives and the resulting instrumental requirements, as well as mastering the characteristics of MAJIS subsystems. As part of that process, I analyzed recent data of Io acquired with SPHERE, an integral field spectrometer on the VLT, which possesses similarities with the expected data products of MAJIS. Though this satellite is a minor objective of the JUICE mission, I had to understand the instrument itself in order to reduce its data and the spectra analysis required the development of a photometric model of a surface observation which I confronted to the reality and to previous studies. The identification of many systematic biases in these data and the quantification of its spatial and spectral detection limits allowed me to highlight the critical aspect in the upcoming calibration phase of MAJIS in order to get interpretable in-flight data. To reach this goal the knowledge of the subsystems of the instrument is also necessary because their behavior will condition the calibration scenario and all their parameters will not be measured again on this occasion. I have therefore characterized, using dedicated optical benches, the focal plane of the instrument and especially its HgCdTe CMOS infrared detector. I was able to measure its most common characteristics, such as its dark current, full-well capacity, quantum efficiency, persistence and readout noise. The knowledge of QE and full-well depth was incorporated into an end-to-end radiometric model of MAJIS, which I fed with the spectral radiance of different scientific targets, including modeled ionian surface flows. In turn, this allowed me to select sources and optical solutions suitable for calibration. Due to the intense radiation levels in the Jovian magnetosphere, the detector’s resilience to radiations also needed to be studied. I was able to perform three test campaigns on control detectors with sources of electrons, protons and high energy photons, which allowed me to show the overall very good resilience of the focal plane to permanent damages and to validate the foreseen transient effects reduction algorithms. These three approaches required that I develop a complete photometric model of the instrument and of its calibration setup which I used to discuss its design and submit test sequences for the calibration campaign. I have worked with our laboratory engineers and industrials to design then build the calibration setup with the light sources that will allow measurement of the spatial, spectral and radiometric responses of the instrument, required to interpret its data during the mission.

L'étude du comportement électromagnétique des détecteurs infrarouge à puits quantiques (QWIPs et QCDs) est longtemps resté insuffisant, le développement de ces détecteurs depuis une dizaine d'années s'étant surtout orienté sur l'optimisation du transport dans la couche active. Ce n'est que très récemment qu'un formalisme adéquat au traitement du champ proche a été mis en œuvre pour modéliser ces réseaux. L'étude du réseau de couplage sur ces structures peut désormais bénéficier des travaux de recherche récents sur la plasmonique et les métamatériaux. L'enjeu de ces recherches est de dépasser la simple fonction de couplage et d'imaginer des structures optiques assurant des fonctions supplémentaires. Nous démontrons notamment la possibilité de discriminer la polarisation de l'émission corps noir avec un réseau unidimensionnel. En se basant sur les propriétés de dispersion des interfaces métal/diélectrique structurées, présentant une bande interdite photonique, nous avons réussi à concentrer l'intégralité du signal incident dans une distance inférieure au quart de la longueur d'onde. Nous proposons d'utiliser cette structure sur des pixels implantés pour augmenter le rapport signal à bruit. Nous proposons trois solutions technologiques de contact supérieur permettant de remplir aux mieux son double rôle : électrique et optique. Nous nous intéressons également à la modification du photocourant due à la présence d'impuretés dans les puits. Ces travaux devraient permettre à la fois une optimisation plus efficace du couplage électromagnétique ainsi qu'à plus long terme, la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques intégrées au pixel.

Ce travail de thèse présente les caractéristiques optiques et électriques de dopants dans des couches de CdHgTe, CdZnTe et CdS. Ces 3 matériaux II-VI ont pour point commun d'être utilisés dans des dispositifs de détection, que ce soit la détection de lumière infrarouge pour les couches de CdHgTe et CdZnTe ou la détection visible comme c'est le cas pour le CdS. La caractérisation optique de ces couches de matériaux II-VI a été réalisée par la technique de photoluminescence et corrélée à des mesures électriques effectuées par effet Hall en température. Dans un premier temps, une étude du dopage intrinsèque par les lacunes de mercure et du dopage extrinsèque par incorporation d'arsenic de l'alliage CdHgTe, couche active des détecteurs IR a été réalisée. Pour cela, des mesures optiques par photoluminescence (sur un banc mis en place au laboratoire pendant la 1ere année de thèse permettant de travailler depuis les basses températures jusqu'à l'ambiante entre 1µm et 12 µm dans l'IR) sur des couches de CdHgTe réalisées par épitaxie en phase liquide (EPL) de différentes compositions en Cd ont été effectuées. La corrélation de ces mesures optiques avec des mesures électriques par effet Hall en température a permis d'identifier les énergies d'activation des 2 niveaux de la lacune de mercure ainsi que de démontrer le phénomène de U-négativité de la lacune de mercure dans le CdHgTe. De plus, la comparaison de spectres de PL d'échantillons dopés arsenic pendant la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) avec des mesures disponibles réalisées par absorption de rayons X (EXAFS) a permis d'observer des transitions optiques associées aux différents complexes arsenic formés avant et pendant le recuit d'activation. Par ailleurs, un travail de modélisation du phénomène de désordre d'alliage dans le CdHgTe a été réalisé. Plus précisément, un modèle basé sur une statistique gaussienne associée aux fluctuations d'alliage autour d'un gap moyen et une statistique de Boltzman a été développé pour ajuster dans un premier temps des spectres d'absorption puis pour ajuster les spectres de photoluminescence. Ce modèle nous a permis d'ajuster étroitement les spectres de photoluminescence et d'absorption, tout en prenant en compte intrinsèquement le désordre d'alliage du matériau. Nous avons ainsi constaté que l'ajustement des spectres par des fonctions gaussiennes comme il est réalisé communément dans la littérature permet de trouver les bons écarts entre les pics d'émission et donc les bonnes énergies d'ionisation. Dans un deuxième temps, toujours dans le cas de la détection infrarouge, le travail a porté sur l'étude du substrat CdZnTe utilisé pour l'épitaxie du CdHgTe. Des comparaisons des spectres de PL avec les paramètres de croissance ont été effectuées. Plus particulièrement, une étude sur une zone spécifique de certains échantillons présentant une absorption du rayonnement IR a été réalisée afin d'en comprendre l'origine. Enfin, nous nous sommes intéressés à la couche de CdS, matériau II-VI dopé intrinsèquement (type n) utilisé comme fenêtre transparente et formant la jonction p-n avec le CdTe dans les cellules solaires, détecteurs de lumière visible. Dans cette partie, nous avons cherché à étudier l'influence des différentes méthodes de dépôt, sublimation ou bain chimique de la couche de CdS sur un substrat de verre, en comparant les spectres d'émission de photoluminescence obtenus ainsi que les types de traitements thermiques effectués après dépôts. Ces mesures ont été corrélées avec le rendement des cellules solaires finales.

Ce travail de thèse présente les caractéristiques optiques et électriques de dopants dans des couches de CdHgTe, CdZnTe et CdS. Ces 3 matériaux II-VI ont pour point commun d'être utilisés dans des dispositifs de détection, que ce soit la détection de lumière infrarouge pour les couches de CdHgTe et CdZnTe ou la détection visible comme c'est le cas pour le CdS. La caractérisation optique de ces couches de matériaux II-VI a été réalisée par la technique de photoluminescence et corrélée à des mesures électriques effectuées par effet Hall en température. Dans un premier temps, une étude du dopage intrinsèque par les lacunes de mercure et du dopage extrinsèque par incorporation d'arsenic de l'alliage CdHgTe, couche active des détecteurs IR a été réalisée. Pour cela, des mesures optiques par photoluminescence (sur un banc mis en place au laboratoire pendant la 1ere année de thèse permettant de travailler depuis les basses températures jusqu'à l'ambiante entre 1µm et 12 µm dans l'IR) sur des couches de CdHgTe réalisées par épitaxie en phase liquide (EPL) de différentes compositions en Cd ont été effectuées. La corrélation de ces mesures optiques avec des mesures électriques par effet Hall en température a permis d'identifier les énergies d'activation des 2 niveaux de la lacune de mercure ainsi que de démontrer le phénomène de U-négativité de la lacune de mercure dans le CdHgTe. De plus, la comparaison de spectres de PL d'échantillons dopés arsenic pendant la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) avec des mesures disponibles réalisées par absorption de rayons X (EXAFS) a permis d'observer des transitions optiques associées aux différents complexes arsenic formés avant et pendant le recuit d'activation. Par ailleurs, un travail de modélisation du phénomène de désordre d'alliage dans le CdHgTe a été réalisé. Plus précisément, un modèle basé sur une statistique gaussienne associée aux fluctuations d'alliage autour d'un gap moyen et une statistique de Boltzman a été développé pour ajuster dans un premier temps des spectres d'absorption puis pour ajuster les spectres de photoluminescence. Ce modèle nous a permis d'ajuster étroitement les spectres de photoluminescence et d'absorption, tout en prenant en compte intrinsèquement le désordre d'alliage du matériau. Nous avons ainsi constaté que l'ajustement des spectres par des fonctions gaussiennes comme il est réalisé communément dans la littérature permet de trouver les bons écarts entre les pics d'émission et donc les bonnes énergies d'ionisation. Dans un deuxième temps, toujours dans le cas de la détection infrarouge, le travail a porté sur l'étude du substrat CdZnTe utilisé pour l'épitaxie du CdHgTe. Des comparaisons des spectres de PL avec les paramètres de croissance ont été effectuées. Plus particulièrement, une étude sur une zone spécifique de certains échantillons présentant une absorption du rayonnement IR a été réalisée afin d'en comprendre l'origine. Enfin, nous nous sommes intéressés à la couche de CdS, matériau II-VI dopé intrinsèquement (type n) utilisé comme fenêtre transparente et formant la jonction p-n avec le CdTe dans les cellules solaires, détecteurs de lumière visible. Dans cette partie, nous avons cherché à étudier l'influence des différentes méthodes de dépôt, sublimation ou bain chimique de la couche de CdS sur un substrat de verre, en comparant les spectres d'émission de photoluminescence obtenus ainsi que les types de traitements thermiques effectués après dépôts. Ces mesures ont été corrélées avec le rendement des cellules solaires finales. / This thesis presents a study of the optical and electrical characteristics of dopants in HgCdTe, CdZnTe and CdS, three materials that play a major role in industry. HgCdTe and CdZnTe are important for infrared light detection and CdS for the fabrication of solar cells. Layers of those II VI materials are characterized by photoluminescence (PL) and temperature-dependent Hall effect. The PL apparatus, built in house, is equipped with a liquid helium cryostat and allows one to scan the entire range of interest between 1 and 12 µm. We address one of the major problems in current HgCdTe technology: p-type doping by both Hg vacancies and arsenic. Low temperature PL and temperature-dependent Hall measurements are first carried out on HgCdTe layers grown by liquid phase epitaxy (LPE). They yield the activation energies of the 2 the Hg vacancy acceptor levels and reveal the U-negative nature of the Hg vacancy in HgCdTe. HgCdTe layers doped with As during molecular beam epitaxial (MBE) growth are also investigated by PL and the results correlated with existing X-ray absorption fine structure (EXAFS) studies. This work allows us to assign the observed optical transitions to the different arsenic complexes formed before and during activation annealing. Furthermore, a model for alloy disorder is developed to correctly fit the data. More precisely, a Gaussian model for the statistical fluctuation of the gap energy due to alloying is formulated and Boltzmann statistics is then introduced in order to fit both the transmission and the PL spectra. The introduction of such model allows one to find the correct emission peak energies, hence the correct ionization energies. Complementary to the study of HgCdTe layer growth, we examine the optical properties of CdZnTe substrates used for HgCdTe epitaxy. In particular, we correlate the PL spectra with the growth parameters, to understand the anomalous infrared absorption of certain CdZnTe ingots. Last, we became interested in CdS, an intrinsically doped (n-type) material used as transparent junction partner in CdTe in solar cells and visible light detectors. We study the impact of different deposition methods, namely sublimation or chemical bath on a glass substrate, by obtaining the PL spectra of as-grown layers and layers that underwent thermal treatment after deposition. These measurements are finally correlated with the final solar cell efficiency.