Soutenance de thèse de ROUBICHOU Jordi
Titre de thèse
Étude de nouveaux types de détecteurs dans le SWIR (Short Wave InfraRed) : Extension de la bande de fonctionnement au-delà de 1,7 μm.
Study of new types of SWIR (Short Wave InfraRed) detectors : Extension of the operating band beyond 1.7 μm.
Résumé de la thèse
Le SWIR étendu (extended Short-Wave Infrared, eSWIR) occupe une position spectrale singulière, à l'interface entre le visible et l'infrarouge thermique, et présente un intérêt majeur pour la défense, la sécurité, le spatial et l'astronomie. Cette bande combine une sensibilité à la luminance réfléchie et à l'émission thermique, influençant la structuration du contraste des scènes et l'information contenue dans les images, y compris en environnements dégradés par le brouillard, les fumées ou la pollution. Elle permet à la fois l'imagerie nocturne sans illumination artificielle grâce au phénomène de nightglow et l'imagerie active reposant sur des sources adaptées.
Dans les applications spatiales et astronomiques, l'eSWIR constitue une bande spectrale clé, depuis l'observation de la Terre et les communications optiques jusqu'à l'imagerie et la spectroscopie des bandes J, H et K, ou l'étude d'objets astrophysiques spécifiques. Au-delà de ces usages, l'eSWIR trouve également de nombreuses applications civiles et industrielles, incluant la surveillance environnementale et agricole, l'imagerie multispectrale, la spectroscopie et la détection de gaz.
Dans le SWIR (Short-Wave Infrared) classique, les photodiodes InGaAs sur substrat InP constituent la technologie de référence, avec une longueur d'onde de coupure limitée à 1,7 µm, tandis que les filières historiques à base de matériaux II–VI, tels que le HgCdTe, offrent une couverture spectrale plus large au prix de contraintes d'opérabilité accrues, d'une complexité technologique élevée et de coûts de fabrication importants.
Ces dernières années, une tendance émergente se dessine dans le domaine de la détection infrarouge autour de l'utilisation de super-réseaux III–V, matériaux artificiels constitués d'un empilement de couches nanométriques, et dont la bande interdite effective peut être ajustée par ingénierie de bande. Cette approche permet d'atteindre des longueurs d'onde de coupure étendues, tout en offrant des températures de fonctionnement plus élevées, des procédés de croissance moins contraignants et un coût réduit par rapport aux technologies II–VI. Dans ce contexte, une approche fondée sur des super-réseaux InGaAs/GaAsSb de type II à compensation de contrainte, élaborés sur substrat InP, est développée par Thales au sein du III–V Lab, en collaboration avec le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.
Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une analyse complète de ces dispositifs, depuis leur modélisation jusqu'à l'évaluation de photodiodes isolées et de plans focaux. Les performances en efficacité quantique, courant d'obscurité, absorption, durée de vie des porteurs minoritaires et longueur de collection sont étudiées pour différentes architectures de super-réseaux, en lien avec des simulations fondées sur un modèle k·p. Les résultats obtenus au niveau élémentaire sont également confrontés à ceux mesurés à l'échelle du plan focal, afin d'analyser l'impact des phénomènes mis en évidence sur l'opérabilité, le rapport signal sur bruit, l'uniformité de réponse et la résolution spatiale des imageurs. L'ensemble de ces travaux vise à développer une analyse globale des solutions eSWIR à super-réseaux InGaAs/GaAsSb, de la modélisation à l'évaluation des plans focaux, afin d'en dégager les atouts et les limites.
Thesis resume
The extended short-wave infrared (eSWIR) lies at a singular spectral position at the interface between the visible and thermal infrared domains, and is of major interest for defence, security, space, and astronomy. This spectral band combines sensitivity to reflected luminance and thermal emission, thereby influencing scene contrast and the information content of images, including in environments degraded by fog, smoke, or pollution. It enables both night-time imaging without artificial illumination through the nightglow phenomenon and active imaging relying on suitable illumination sources.
In space and astronomy applications, the eSWIR constitutes a key spectral band, ranging from Earth observation and optical communications to imaging and spectroscopy in the J, H, and K bands, as well as the study of specific astrophysical objects. Beyond these applications, the eSWIR is also well suited to a wide range of civil and industrial uses, including environmental and agricultural monitoring, multispectral imaging, spectroscopy, and gas detection.
In the conventional SWIR (Short-Wave Infrared) range, InGaAs photodiodes grown on InP substrates represent the reference technology, with a cutoff wavelength limited to 1.7 µm, while historical technologies based on II–VI materials, such as HgCdTe, provide broader spectral coverage at the expense of increased operational constraints, higher technological complexity, and elevated fabrication costs.
In recent years, an emerging trend in infrared detection has focused on the use of III–V superlattices, artificial materials composed of nanometre-scale layer stacks whose effective bandgap can be tailored through band engineering. This approach enables extended cutoff wavelengths while offering higher operating temperatures, less restrictive growth processes, and reduced cost compared with II–VI technologies. In this context, an approach based on strain-balanced type-II InGaAs/GaAsSb superlattices grown on InP substrates is being developed by Thales at the III–V Lab, in collaboration with the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.
The work presented in this manuscript provides a comprehensive analysis of these solutions, from modelling to the evaluation of standalone photodiodes and focal-plane arrays. Device performances in terms of quantum efficiency, dark current, absorption, minority-carrier lifetime, and collection length are investigated for several superlattice architectures, together with simulations based on a k·p model. The results obtained at the photodiode level are finally compared with those measured at the focal-plane level, in order to assess the impact of the observed phenomena on operability, signal-to-noise ratio, response uniformity, and spatial resolution. Altogether, this work aims to provide a comprehensive analysis, from modelling to photodiode characterisation and focal-plane evaluation, in order to highlight the strengths and limitations of eSWIR InGaAs/GaAsSb superlattice photodetectors.