Le monde des détecteurs infrarouge a été révolutionné, depuis le milieu des années 2000, par l'apparition de nouvelles structures photodétectrices dont les performances surclassent celles des photodiodes. Ces photodétecteurs ont permis le développement d'une nouvelle génération de caméras plus compactes, plus fiables et moins gourmandes en énergie. Cette thèse avait pour objectif l'étude de ces nouvelles structures photodétectrices haute performance à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge entre 3-5µm.Les performances d'un photodétecteur dépendent directement de la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci. Aussi, le matériau retenu pour faire office de couche d'absorption a donc dans un premier temps été finement caractérisé. Les mesures de durée de vie (DDV) des porteurs minoritaires dans le matériau se sont révélées être les plus pertinentes pour juger de la qualité des échantillons, et il est reporté une mesure de (DDV) à l'état de l'art pour une température de 80K. Le second volet de cette thèse portait sur le dimensionnement d'une structure photodétectrice à l'aide du logiciel de simulations numériques SILVACO. Une structure optimisée a été proposée puis a été fabriquée par épitaxie à jets moléculaires. A partir de celle-ci, des composants ont été réalisés en salle blanche par un procédé technologique standard. Le courant d'obscurité mesuré se situait une décade plus bas que le photocourant typique ce qui s'est avéré très encourageant pour le développement futur d'une filière basée sur ce type de structures. La dernière partie de ce manuscrit propose une piste pour faire varier la longueur d'onde de coupure de la nouvelle structure photodétectrive grâce à l'utilisation d'une couche absorbante à base de superréseaux antimoniures. / Since the middle of the 2000's, new infrared photodetectors have been proposed that demonstrate better performances than photodiodes. This type of new detectors allowed the development of the compactness, reliability and energy consumption of the next generation of infrared cameras. The aim of this thesis is to study these new high performance photodetectors based on antimony semiconductors dedicated to the 3-5µm mid-infrared domain.Photodetectors performance strongly depends on the quality of its absorption material that has been characterized by diffenrent techniques. Lifetime measurements were identified as the most relevant criterion the evaluation of material quality. A state-of-the-art lifetime value has been reported at a temperature of 80K. Then, an optimized design of the photodetector has been determined using the TCAD SILVACO software. The photodetector structure has been grown by molecular beam epitaxy and devices were made by a standard fabrication process in clean room. The measured dark current was a decade lower than the typical photocurrent : this confirmed the potential of this new structure to be used as a high performance mid-infrared photodetector. Finaly, we demonstrate that the cut-off wavelength of the detector can be tuned using antimony-based superlattices.

Les photodétecteurs rapides sont des composants optoélectroniques qui permettent de générer et de détecter des ondes de fréquences sub-THz et THz. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs rapides à semiconducteurs III-V. L’objectif est de proposer des systèmes fonctionnant à la longueur d’onde de 1550 nm, et donc compatibles avec les technologies des télécommunications. Nous étudions en détail des photoconducteurs en AsGa-BT pour le sous-échantillonnage, des photodétecteurs de type MSM-InAlAs/InGaAs pour le sous-échantillonnage et le photomélange et des photodiodes UTC en InGaAs/InP pour le photomélange. / Fast photodetectors are optoelectronic devices wich allow to generate and to detect electromagnetic waves at sub-THz and THz frequencies. This thesis presents the design, the fabrication and the characterization of fast photodetectors made using III-V semiconductors. The objective is to develop systems working at a wavelength of 1550nm, compatibleswith the telecommunication technologies. We will study in detail LT-GaAs photoconductors for sub-sampling, InAlAs/InGaAs-MSM photodetectors for sub-sampling and photomixing and InGaAs/InP UTC-photodiodes for photomixing.

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la réalisation de photodétecteurs infrarouges à superréseaux (SR), constitués d'hétérostructures de semiconducteurs InAs/GaSb. Ces superréseaux InAs/GaSb sont considérés, depuis le milieu des années 2000, comme des structures pouvant satisfaire les besoins de la prochaine génération de photodétecteurs infrarouges (IR). À l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université Montpellier 2, nous maîtrisons la réalisation des structures périodiques à SR par Epitaxie par Jets Moléculaires sur substrat GaSb et la fabrication technologique des photodiodes pin. Ces composants présentent des performances à l'état de l'art mondial dans le MWIR.L'objectif de mon travail de thèse, financé par la DGA et en collaboration étroite avec l'ONERA, était de contribuer à une meilleure compréhension de la physique du composant et d'améliorer les performances de cette nouvelle filière de détecteur IR. Cette étude s'effectua sur des monoélements (pixels), éléments de base du système imageur IR. En comparant trois structures InAs/GaSb différentes, conçus pour la même gamme spectrale de détection dans le MWIR mais de composition et d'épaisseur différentes (riche en GaSb, symétrique et riche en InAs), nous avons exploité la flexibilité offerte par cette technologie de détecteurs. Cette approche nous a permis de mettre en évidence la dépendance des performances avec la proportion en GaSb. Les résultats obtenus sur les structures asymétriques plus riches en InAs sont à l'état de l'art pour des photodiodes : densité de courant d'obscurité de 5x 10-8 A/cm2 à 77K pour une polarisation inverse de 50 mV. En complément, nous avons réalisé, en collaboration avec le CEA-LETI, la première matrice à SR française. Ces résultats ont contribué à une meilleure compréhension des détecteurs à superréseaux et esquissent des voies d'optimisation prometteuses. / This thesis focuses on the study and implementation of infrared photodetectors with InAs/GaSb superlattices (SL). Since the mid-2000s, InAs/GaSb SL are considered as new technology that can meet the criteria of the next generation of infrared (IR) photodetectors. At the Institut d'Electronique du Sud (IES) of the University of Montpellier 2, we control the fabrication of SL periodic structures by Molecular Beam Epitaxy on GaSb substrate and the technological process of pin photodiodes. These devices have performances at the state of the art in the midwave infrared spectral domain.The aim of my thesis work, funded by the DGA and in close collaboration with ONERA, was to contribute to a better understanding of the device physics and improve the performance of this IR detector. This study was carried out on mono-element (pixel), the basic elements of IR imaging system. Comparing three different InAs/GaSb structures, designed for the same detection spectral range (MWIR) but different composition and thickness (GaSb-rich, symmetric and InAs-rich), we used the flexibility offered by this technology detectors. This approach has allowed us to highlight the dependence of performances with the proportion on GaSb in the SL structure. The results obtained on InAs-rich asymmetric photodiodes are at the state of the art: dark current density of 5×10-8 A/cm2 at 77K for a reverse bias of 50 mV. In addition, the first French SL Focal Plane Array has been fabricated and tested. These results contributed to a better understanding of superlattice detectors and outline ways of promising optimization.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le contexte du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (le GRAMS), qui cherche à développer des capteurs de photons plus sensibles et plus performants, destinés à être utilisés pour détecter des photons provenant de cristaux scintillateurs notamment utilisés en tomographie d'émission par positrons. L'objectif principal du travail accompli est de faciliter la caractérisation de diodes monophotoniques à avalanche (single-photon avalanche diodes, SPAD) développées sur une technologie CMOS. Cette caractérisation couvre ce qui a trait à l'efficacité de photodétection, la résolution temporelle, les fausses détections, le redéclenchement intempestif, et la diaphonie. Un objectif optionnel est la mise au point d'un circuit réalisant la lecture d'une matrice de SPAD co-intégrée à l'aide d'un procédé d'empilement de circuits intégrés en 3D (3DIC). Ce mémoire de maîtrise présente les circuits électroniques intégrés (sur procédé CMOS 0,8μm haut voltage) et imprimés faisant partie du système électronique mis sur pied pour répondre aux objectifs du projet. Tel qu'il est démontré vers la fin du mémoire, le système a été utilisé pour caractériser des SPAD. Il a permis d'atteindre des performances dignes de l'état de l'art en circuits de contrôle de SPAD. Des améliorations au système sont proposées et seront implémentées sur des versions ultérieures.

Les nanostructures métalliques présentent, grâce aux résonances de surface qu'elles supportent, la possibilité de confiner et de contrôler la lumière sur des dimensions très inférieures à la longueur d'onde. Durant cette thèse, nous avons étudié le cas des réseaux de fentes métalliques.<br /><br />Nous avons mis en oeuvre un calcul original des courbes de dispersion complexes des réseaux métalliques, basé sur une méthode modale et un formalisme de matrice S. Le calcul des structures de bandes photoniques complexes et de la répartition spatiale du champ électromagnétique a permis de décrire précisément les résonances de surface horizontales et verticales, leurs conditions d'excitation ainsi que leurs durées de vie radiatives et non radiatives. Leurs propriétés de confinement et de transmission de la lumière dans des fentes très fines devant la longueur d'onde offrent de nouvelles possibilités en optoélectronique.<br /><br />Nous proposons en particulier deux structures de type métal-semiconducteur-métal pour la photodétection ultrarapide, dans lesquelles le confinement de l'absorption permet de repousser le compromis habituel entre rendement et vitesse. La première structure est un réseau métal/semiconducteur dans lequel la lumière est absorbée entre les électrodes. La seconde structure permet une absorption efficace dans une fine couche sous le réseau métallique. Ces deux photodétecteurs, dont la distance inter-électrode est d'environ 100 nm, ont été fabriqués sur substrat de GaAs. Le bon accord des mesures de réflectivité et de photocourant avec la théorie a permis de valider cette approche, qui pourra notamment être appliquée aux longueurs d'onde des télécommunications.<br /><br />Les dimensions mises en jeu rendent possibles des fréquences de coupure de plusieurs centaines de GHz, avec un rendement théorique de 75 % indépendamment de la polarisation de la lumière. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle génération de photodétecteurs ultrarapides.

La diffusion électromagnétique par des surfaces rugueuses concerne un ensemble très vaste de problèmes actuels en optronique (maîtrise des signatures/cloaking, analyse des signatures laser et infrarouge, imagerie active, localisation de la lumière, imagerie optique haute résolution, modélisation des interactions lumière matière et des signatures optiques, applications photovoltaïques et détecteurs infrarouges, biotechnologie). Les travaux réalisés dans le cadre de la thèse "Contrôle de la lumière par des éléments de surface désordonnés'' consistent à réaliser expérimentalement des surfaces rugueuses dont les propriétés statistiques sont contrôlées. Pour cela, un banc expérimental de photofabrication a été développé, utilisant sles propriétés statistiques des figures de speckle issues d'un faisceau laser mis en forme spatialement.Les surfaces réalisées présentent ainsi des propriétés statistiques qui n'existent pas à l'état naturel (fonction d'autocorrélation non gaussienne). Au delà de ces surfaces photofabriquées, le travaux de cette thèse s'intéressent également aux propriétés de surfaces de silicium fortement rugueuses caractérisées de Black Silicon. / Scattering of electromagnetic waves from rough surfaces is involved in a wide area of research in optronics (cloaking, laser and infrared signature analysis, active imaging, light localisation, high resolution optical imaging, laser-matter interaction and optical signature modelling, photovoltaics, infrared sensors, biotechnologies). Studies performed during the thesis ``Ligth control by random surface elements'' consist in the experimental fabrication of rough surfaces which statistical properties are controled. An experimental setup has been implemented, using the properties of a spatially shaped laser speckle pattern. The photofabricated surfaces show statistical properties that do not exist in nature such as non Gaussian autocorrelation function. Beyond these photofabricated surfaces, we also studied very rough surfaces of semi-conductor known as Black Silicon.

Pour pallier la limitation des interconnexions métalliques dans les circuits intégrés CMOS, une des solutions envisagées est d'introduire des interconnexions optiques. L'objet de cette thèse était la réalisation de photodétecteurs Ge intégrés en bout de guides d'onde sur substrats silicium sur isolant (SOI). Le travail a porté principalement sur la mise au point d'un protocole expérimental pour l'épitaxie sélective par UHV-CVD de couches minces de Ge relaxé, présentant un minimum de défauts cristallins sur toute leur épaisseur, une faible rugosité de surface et une absorption optique à 1300 nm proche de celle du Ge massif. Pour satisfaire ces conditions, il est nécessaire de favoriser la relaxation plastique de la couche de Ge sur une très faible épaisseur. A basse température de croissance (330°C), l'observation en temps réél par diffraction électronique montre que la relaxation peut être achevée après dépôt de 16 nm. Cette couche s'avère stable dès environ 30 nm et permet la reprise d'épitaxie de Ge à haute température (600°C). Cette augmentation de température améliore la qualité cristalline, élève la vitesse de croissance et mène à un matériau totalement relaxé. Le retour à température ambiante provoque le développement d'une contrainte en tension. L'abaissement de la bande interdite qui en résulte élève le seuil d'absorption en longueur d'onde. Enfin, ce procédé a été réalisé dans des cuvettes de SiO2/Si et des plots de Si gravés dans du SOI. Une parfaite sélectivité de la croissance est alors obtenue, démontrant ainsi la possibilité d'intégration de photodétecteurs à l'extrémité de microguides d'ondes SOI.

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées.

Les dispositifs optoélectroniques organiques possèdent plusieurs avantages pour les applications dans le domaine du biomédical. Le photodétecteur organique (OPD) est un type de dispositif optoélectronique qui n’est pas encore utilisé pour la détection d’activité cérébrale. L’objectif de cette thèse a été d’explorer l’utilisation des OPD, constitués de différent matériaux donneur-accepteur d’électrons, dans le domaine des neurosciences. Nous avons présenté différent types d’OPD possédant une structure minimale, une excellente sensibilité et un grand potentiel d’intégration dans les méthodes de microfabrication existantes. Les détecteurs organiques ont été utilisés pour l’enregistrement de signaux optiques intrinsèques et de signaux fluorescents reflétant l’activité du calcium dans le cerveau. De plus, un autre aspect des OPD est présenté (en combinaison avec les transistors électrochimiques organiques (OECT)) : des systèmes électroniques biomimétiques basé sur une architecture électronique neuro-inspirée. Cette thèse démontre le potentiel des OPD pour enregistrer des activités cérébrales. Elle ouvre une nouvelle perspective, grâce à leur grande sensibilité, comme capteur optique en combinaison avec des dispositifs neuronaux implantables. Ceci élargira les frontières de l’électrophysiologie optique pour explorer les mécanismes complexes du cerveau et des maladies neurodégénératives. / Organic optoelectronic devices have many promising qualities for biomedical applications. Organic photodetectors (OPD), one type of such devices, have yet to be utilized for the detection of signals in the brain, to the best of our knowledge. The goal of this thesis was to explore the use of OPDs, based on different electron-donor and -acceptor materials in neuroscience applications. Different types of minimal-structure OPDs are presented, which have an excellent sensitivity and a high potential for incorporation into existing microfabrication methods. The organic sensors were utilized for monitoring the brain’s intrinsic optical signals and fluorescent calcium dynamics. Additionally, another aspect of these devices is presented (in combination with organic electrochemical transistors (OECT)): neuroinspired electronics, electronics that mimic biology. This thesis establishes the promise of OPDs for monitoring brain activities, which would lead to their integration, as high-sensitive micron-scale optical sensors in organic neural probes. Such device would result in exploring optical biological activities in the deep brain on the cellular level and would push the frontiers of optical-electrophysiology by giving a better understanding of complex mechanisms of the brain function and neurodegenerative diseases.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés dynamiques et non linéaires des dans les semi-conducteurs Ill-V et leur utilisation pour le traitement optique dans les réseaux de télécommunication haut débit. Elle est décomposée en deux axes majeurs. Le premier est lié à l'utilisation couplée des transitions inter-bandes (18) et inter-sousbandes (188). Les différences entre ces deux types de transitions, en termes de dynamique et de sensibilité à la polarisation, font des composants 18/188 de bons candidats pour la réalisation de fonctions de traitement avancées. Dans cette optique nous avons réalisé et caractérisé un nouveau composant à puits quantiques lnGaAs/AIAs8b sur substrat lnP insérés dans une jonction pn. Les premiers résultats obtenus indiquent un comportement de diode mais révèlent que la zone de charge espace est décalée lié à un probable dopage effectif non intentionnel de I'AIAs8b. La mesure du photocourant en fonction de la polarisation électrique révèle un transport via un effet Poole-Frenkel et montre l'efficacité des barrières de potentiel AIAs8b. Ces résultats nous permettent d'envisager aussi bien des applications purement optiques (modulation de phase ou d'intensité croisées ...) qu'optoélectroniques (photo détection à deux photons). Le deuxième axe consiste à l'étude et la réalisation d'un montage permettant une caractérisation poussée de la dynamique phase/amplitude et de la réponse non linéaire de tels composants. L'approche choisie est celle d'une mesure pompe sonde employant un circuit optique analogue à un interféromètre de 8agnac offrant à la fois une grand stabilité mécanique pour une précision de mesure élevée et la possibilité d'utiliser la polarimétrie afin d'extraire les variations de gain et d'indice pour une étude plus complète des propriétés du matériau. L'utilisation d'une source laser sub-picoseconde nous permet de résoudre les phénomènes aux temps courts. Une première démonstration de la mesure de variation phase-amplitude sur un absorbeur simple (multipuits lnGaAs/lnP) autour de 1.5microns est présentée. / This PhD thesis presents the study of some dynamics and nonlinear properties of III-V semiconductors and their use for optical processing in high-speed telecommunication networks. lt is decomposed into two major axes. The first is related to the coupled use of inter-band (18) and inter-subband (IS8) transitions. The differences between these two types of transitions, in terms of dynamics and sensitivity to polarization, make 18 I IS8 components good candidates for advanced processing functions. In this context, we have realized and characterized a new device based on lnGaAs I AIAsSb quantum wells on lnP substrate inserted in a pn junction. The first results obtained indicate a behaviour of diode but reveal that the space charge region is shifted. This is linked to a probable unintentional doping of AIAsSb. The measurement of the photocurrent according to the electrical polarization reveals a transport via a PooleFrenkel effect and shows the effectiveness of the AIAsSb potential barriers. These results allow us to consider both purely optical applications (phase modulation or cross intensity ... ) and optoelectronic applications (photo-detection with two photons). The second axis consists in the study and the realization of an advanced characterization tool to measure the phase/amplitude dynamics and the non-linear responses of such components. We have used a pump-probe measurement set-up employing an optical configuration similar to a Sagnac interferometer. lt offers both a great mechanical stability for high measurement accuracy and the possibility of using polarimetric properties in order to extract variations of the optical index (gain and refractive index) for a more complete study of the properties of the material. The use of a sub-picosecond laser source allows us to solve phenomena at short times. A first demonstration of the phaseamplitude variation measurement on a single absorber (lnGaAs / lnP multiwells) around 1.5microns is presented.