Modélisation du couplage optique dans les

S T A G E D E M A S T E R 2
M2 Nanosciences
Spécialité : Nanodispostifs et nanotechnologies
Année scolaire : 2011 – 2012
Modélisation du couplage optique dans les
détecteurs infrarouge multi-spectraux
Ludovic Mendes
N O N C O N F I D E N T I E L
Entreprise d’accueil :
III-V Lab / THALES Research & Technology
Adresse :
CAMPUS POLYTECHNIQUE
1, Avenue Augustin Fresnel
91767 PALAISEAU Cedex
Dates du stage :
du 19/03/2012 au 24/08/2012
Tuteur Université Paris-Sud XI :
Mme Élisabeth Dufour-Gergam
Tuteur entreprise :
M. Alexandru Nedelcu

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RÉSUMÉ
On s’intéresse ici aux photodétecteurs d’infrarouge à multi-puits quantiques qui peuvent détecter
dans deux bandes spectrales différentes (QWIPs bi-spectraux). L’évolution technologique de ceux-ci a mené à
devoir déposer sur les flancs des pixels du métal. Cependant, une conséquence indésirable a été de dégrader
d’un facteur 2-3 la réponse sur l’une des deux bandes spectrales.
La caractérisation des échantillons qui a été faite nous laisse penser que l’origine de cette dégradation
serait une modification du couplage optique due au à ce dépôt de métal. Des campagnes de simulation en
utilisant la méthode des éléments finis ont été menées afin de déterminer la source de cette modification. Bien
qu’il n’y ait pas de réponse définitive, des pistes nous laissent penser qu’il pourrait s’agir soit de l’absorption
dans le métal soit d’imperfections dues au changement de procédé technologique.
ABSTRACT
This report deals with quantum well infrared photodetectors that can detect in two different spectral
bands (Bi-spectral QWIPs). The technological evolution of these led to the need for deposition of metal on the
pixels’ flanks. Though, an unwanted consequence was the degradation of the response in one of the spectral
band.
The characterization of samples let us think that the origin of this degradation may be a modification
in the optical coupling due to the metal deposition. Many simulations using the finite element method were
done to find out the source of this modification. Though there was no final conclusion, some leads let us think
the absorption in the metal or the imperfections due to a change in the technological process may be in cause.

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REMERCIEMENTS
Je souhaiterais remercier le III-V Lab et Thales Research & Technology de m’avoir permis de faire de
stage au sein du groupe Détecteurs infrarouge pour l’imagerie. Je souhaiterais tout particulièrement
remercier (par ordre alphabétique) :
 Arnaud Bérurier, qui a travaillé avec moi sur la partie modélisation, pour ses explications, son aide
sans laquelle je serais encore en train d’essayer de lancer un calcul et son humour ;
 Matthieu Carras, pour ses éclairantes explications en électromagnétisme ;
 Eric Costard, tout d’abord pour m’avoir accueilli dans son groupe puis pour m’avoir souvent
accompagné en pause et m’y avoir fait profiter de son incroyable bonne humeur ;
 Élisabeth Dufour-Gergam, ma tutrice à l’université et Marisol Verstraete, secrétaire pédagogique, pour
leur suivi du stage ;
 Vincent Guériaux, qui a travaillé avec moi sur la partie caractérisation, pour son aide, ses explications
plusieurs fois répétées et ses bons conseils ;
 Olivier Guilcher, pour son enseignement des rudiments de la caractérisation sous une lumière
tamisée ;
 Julien Imbert et Maxime Pozzi, qui ont partagé mes instants d’efficacité mais surtout ceux
d’inefficacité et bien plus ;
 Hermine Le Bout de Château-Thierry de Beaumanoir, qui partage mon bureau et grande adepte du
« qui aime bien, châtit bien ».
 Nathalie Martin et Maria Carras, qui nous ont souvent fait le plaisir de leur compagnie ;
 Alexandru Nedelcu, mon tuteur, pour sa gentillesse, sa patience de toujours tout expliquer de manière
très pédagogique en reprenant les choses depuis le début et sa disponibilité même dans les moments
où il est le plus pris ;
 Jean-Luc Reverchon, pour ses explications sur tout et n’importe quoi mais toujours avec le sourire ;
 Et enfin tout le reste de l’équipe que je ne citerai pas de peur d’oublier quelqu’un mais avec qui j’ai
passé un excellent moment pour leur bonne humeur, encore et toujours.

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Sommaire
PARTIE I : INTRODUCTION .................................................................................................................................................................................. 5
1. Présentation du III-V Lab et de TRT .................................................................................................................................................... 5
2. Électromagnétique et infrarouge ....................................................................................................................................................... 7
2.1 - Le spectre électromagnétique......................................................................................................................................................... 7
2.2 - Formation des images ..................................................................................................................................................................... 7
2.3 - Le corps noir .................................................................................................................................................................................... 7
2.4 - Bandes atmosphériques .................................................................................................................................................................. 9
3. Intérêts et applications ...................................................................................................................................................................... 9
4. Les grandes familles de détecteurs .................................................................................................................................................. 11
5. Architecture d’un pixel QWIP mono-spectral/bi-spectral ................................................................................................................ 13
5.1 – Architecture du QWIP mono-spectral .......................................................................................................................................... 13
5.2 – Architecture du QWIP bi-spectral ................................................................................................................................................. 14
5.3 – Pourquoi y a-t-il moins de puits quantiques dans la zone active correspondant au MWIR ? ....................................................... 15
6. Du détecteur à la caméra ................................................................................................................................................................ 15
7. Problématique du stage................................................................................................................................................................... 16
PARTIE II : CARACTÉRISATION .......................................................................................................................................................................... 17
1. Présentation du banc de mesures et des caractéristiques............................................................................................................... 17
1.1 - Le banc de mesures ....................................................................................................................................................................... 17
1.2 - Caractéristique courant-tension en régime d’obscurité ................................................................................................................ 18
1.3 - Réponse Spectrale ......................................................................................................................................................................... 18
1.4 - Caractéristique courant-tension en régime éclairé ....................................................................................................................... 19
1.5 - Le bruit .......................................................................................................................................................................................... 19
2. Validation des procédés technologiques ......................................................................................................................................... 20
2.1 - Densité de courant d’obscurité à 120K ......................................................................................................................................... 20
2.2 - Gain en bruit ................................................................................................................................................................................. 21
3. Confirmation de la dégradation de la réponse ................................................................................................................................ 22
4. Analyse approfondie ........................................................................................................................................................................ 24
4.1 - Problèmes survenus lors des mesures .......................................................................................................................................... 24
4.2 - Problèmes électro-optiques des étages LWIR du détecteur bafflé ............................................................................................... 24
4.3 - Origine de la dégradation de la réponse MWIR du détecteur bafflé ............................................................................................. 25
5. Synthèse .......................................................................................................................................................................................... 26
PARTIE III : MODÉLISATION .............................................................................................................................................................................. 27
1. Sources de couplage dans un pixel QWIP ........................................................................................................................................ 27
1.1 - Le couplage par réseau ................................................................................................................................................................. 27
1.2 - Le couplage par les bords .............................................................................................................................................................. 28
1.3 - Cavité verticale .............................................................................................................................................................................. 29
2. Modélisation par éléments finis ...................................................................................................................................................... 29
2.1 - Principe de la méthode des éléments finis et de la simulation appliquée à l’électromagnétisme ................................................ 29
2.2 - Influence du maillage .................................................................................................................................................................... 31
2.3 - Influence de l’échantillonnage spatial pour le calcul de l’absorption ............................................................................................ 32
2.4 - Influence de l’épaisseur de contact intermédiaire ........................................................................................................................ 33
2.5 - Influence de la profondeur de gravure de contact inférieur ......................................................................................................... 34
2.6 - Effet de l’inversion des deux étages .............................................................................................................................................. 36
3. Pistes et synthèse ............................................................................................................................................................................ 37
3.1 - Limitation des éléments finis ........................................................................................................................................................ 37
3.2 – Une nouvelle méthode de calcul .................................................................................................................................................. 37
3.3 - Absorption dans le bafflage .......................................................................................................................................................... 38
3.4 - Processus technologique ............................................................................................................................................................... 39
3.5 - Synthèse ........................................................................................................................................................................................ 39
Conclusion générale ......................................................................................................................................................................................... 40
Annexes ........................................................................................................................................................................................................... 41
1. ANNEXE I – Protocoles expérimentaux pour la préparation de mesures ......................................................................................... 41
A1.1 – Changer l’échantillon ................................................................................................................................................................. 41
A1.2 – Mettre l’échantillon à vide ......................................................................................................................................................... 41
A1.3 - Enlever la pompe ........................................................................................................................................................................ 41
A1.4 - Mettre en froid ........................................................................................................................................................................... 42
A1.5 – Finir la manip ............................................................................................................................................................................. 42
2. ANNEXE II – Couplage par réseau de diffraction .............................................................................................................................. 43
3. ANNEXE III – Architecture du code FEM (Finite Elements Method) ................................................................................................. 44
Bibliographie .................................................................................................................................................................................................... 48

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La filière Nanodispositifs et Nanotechnologies du Master 2 Nanosciences de l’Université Paris-Sud XI se
veut à la fois une filière de recherche mais aussi une filière professionnelle. Ce double aspect prend tout son
sens particulièrement lors du stage de fin de master. Un peu plus de cinq mois dans le laboratoire de recherche
d’une grande entreprise telle que Thales m’auront permis d’appréhender la rencontre entre deux mondes
qu’on a tendance à trop souvent opposer : celui de la recherche et celui de l’entreprise. Le sujet « Modélisation
du couplage optique dans les détecteurs infrarouge multi-spectraux » permet non seulement d’étudier en
profondeur la physique d’un dispositif tout en évoluant dans un contexte propre à celui de l’entreprise. Ce
rapport, qui se veut à la fois synthétique et utile pour qui devra continuer à travailler sur ce projet, tente de
présenter les travaux réalisés au cours de ces cinq mois au sein du III-V Lab. Il est divisé en trois parties. Une
première partie introductive qui présente à la fois le contexte du stage, l’état de l’art de la technologie et la
problématique étudiée. Une seconde et une troisième partie qui rapportent chacune les deux aspects étudiés
lors de mon stage à savoir la caractérisation de dispositifs puis leur modélisation et simulation.
PARTIE I : INTRODUCTION
Après une présentation succincte du III-V Lab et de TRT (Thales Research & Technology), les principes
physiques sur lesquels reposent la détection infrarouge seront exposés. Un état de l’art des différentes familles
de détecteurs sera dressé puis l’architecture des détecteurs sera étudiée. Une fois ces briques fondamentales
posées, nous pourrons expliquer quelle est la problématique qui a donné lieu à ce stage au sein du laboratoire.
1. Présentation du III-V Lab et de TRT
Le III-V Lab est une organisation privée de recherche et développement, fondée en 2004 par Alcatel-
Lucent et Thales en tant que GIE (Groupement d’Intérêt Economique). Elle est implantée sur deux sites : l’un à
Marcoussis sur le site d’Alcatel, et l’autre sur le plateau de Saclay sur le site de Thales. Les deux fondateurs ont
mis en commun leurs ressources humaines, matérielles et technologiques afin de développer conjointement
les technologies de micro- et optoélectronique. Depuis le 1er Janvier 2011, le LÉTI (Laboratoire d’Électronique
et de Technologies de l’Information) du CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) a
rejoint le III-V Lab, pour former un partenariat privé - public et élargir les capacités de recherche industrielle de
l’organisation. Le III-V Lab, qui comptait jusqu’alors environ 100 personnes (dont 95 chercheurs) a vu ses
effectifs augmenter d’environ 20%.
Les différentes missions du III-V Lab, inhérentes à l’alliance de ses co-fondateurs, sont variées et
couvrent des domaines d’applications comme les télécoms, le spatial, la défense et la sécurité. En outre, le
III-V Lab peut produire et vendre des composants pour des petites séries (quelques dizaines de wafers par an
typiquement), ce qui permet à ses partenaires d’accéder rapidement aux technologies les plus récentes.
III-V Lab est organisé en quatre groupes de recherche dédiés aux :
· Diodes laser et développement de dispositifs photoniques pour les télécommunications ;
· Détecteurs infrarouge pour l’imagerie ;
· Structures à base de nitrure de gallium (GaN) : HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) et HEMT
(High Electron Mobility Transistor) pour la micro-électronique, haute-fréquence ;
· PIC (Photonic Integrated Circuit – Photonique intégrée dans le circuit, soit de la photonique sur
silicium).