Thèse de doctorat (4.061Mb)

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique
Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique
Spécialité : génie électrique
UNIVERSITÉ PARIS-SUD
Faculté des sciences d’Orsay
École doctorale n°575 : EOBE
Discipline : Électronique et opto-électronique, nano- et microtechnologies
Centre de Nanosciences et Nanotechnologies
DÉVELOPPEMENT DE CAPTEURS THz
UTILISANT L’HÉTÉROSTRUCTURE AlGaN/GaN
Thèse de doctorat
Hélène SPISSER
Soutenance le 14 février 2017, au C2N, Orsay
Composition du Jury :
Dominique COQUILLAT, Directrice de recherches, Laboratoire Charles Coulomb
Yvon CORDIER, Directeur de recherches, CRHEA
Christophe GAQUIERE, Professeur, Université de Lille 1
Ali SOLTANI, Professeur associé, Université de Sherbrooke
Nicolas ZEROUNIAN, Maître de conférences, Université Paris-Sud
Frédéric ANIEL (directeur de thèse), Professeur, Université Paris-Sud
François BOONE (directeur de thèse), Professeur, Université de Sherbrooke
Hassan MAHER (co-directeur de thèse), Professeur, Université de Sherbrooke

À Sophie

iii
REMERCIEMENTS
Ce travail de thèse a été effectué en cotutelle entre le Centre de Nanosciences et de
Nanotechnologies (C2N, Orsay, France), et l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation
Technologique (3IT, Sherbrooke, Québec). Le professeur Frédéric Aniel a dirigé ma thèse
à Orsay, au sein de l’équipe EPHYCAS. Avec Anne-Sophie Grimault-Jacquin et Nicolas
Zerounian, ils m’ont encadrée au plus près et ont été pour moi été des guides dans des
domaines qui m’étaient quasiment étrangers à mon début de thèse. Qu’ils trouvent ici
l’expression de ma profonde reconnaissance. Je tiens à exprimer ma vive gratitude aux
professeurs François Boone et Hassan Maher, qui ont dirigé ma thèse au 3IT. Je leur suis
très reconnaissante de m’avoir fait confiance, d’avoir partagé avec moi une partie de leurs
connaissances et leur savoir-faire, ainsi que d’avoir été à mon écoute tout au long de ce
travail.
Mes remerciements vont au professeur Ali Soltani, qui a accepté d’être rapporteur
de ce travail pour l’Université de Sherbrooke, ainsi qu’à Madame Dominique Coquillat et à
Monsieur Christophe Gaquière, qui ont endossé la charge d’être rapporteurs pour
l’Université Paris-Saclay. Je remercie aussi Monsieur Yvon Cordier pour avoir été
président du jury de soutenance de thèse.
Je témoigne ma vive reconnaissance à ceux sans qui ce travail n’aurait pas pu avoir
de résultat expérimentaux. Tout d’abord le Centre de Recherche en Hétéro-Epitaxie et ses
Applications (CRHEA, Valbonne) pour nous avoir fourni les épitaxies AlGaN/GaN ayant
donné les résultats expérimentaux de ce travail. Au C2N, Nicolas Zerounian et Abdelhanin
Aassime ont fourni un travail gigantesque qui a abouti à la prouesse technologique de
fabriquer des réseaux métalliques aux rapport d’aspect quasi impensable.
J’aimerais aussi remercier Etienne Grondin et toute l’équipe de la salle blanche du
3IT, Caroline Roy, René Labrecque, Daniel Blackburn. Je remercie aussi Abdelatif Jaouad
et Marie-Josée Gour pour leur expertise technologique dont mon travail a pu bénéficier.
Je voudrais particulièrement remercier ceux qui m’ont formée en microfabrication :
Ahmed Chakroun, pour sa patience hors du commun, Sarvenaz Jenabi, pour son savoir-
faire de précision, Osvaldo Arenas et Christophe Rodriguez qui m’ont transmis des savoir-
faire essentiels, ainsi que Meriem Bouchilaoun et Lamye Lamrani. Je remercie tous les
membres du Groupe GaN du 3IT pour leurs nombreuses discussions, remarques et
conseils.

Enfin, je remercie mes parents qui m’ont soutenue, encouragée et conseillée, je
remercie ma sœur Sophie pour sa sagesse et son soutien sans faille ainsi que Mamadou
pour avoir été à mes côtés.

i
TABLE DES MATIÈRES
Résumé ................................................................................................................................. iii
Liste des figures .................................................................................................................... iv
Liste des tableaux ............................................................................................................... xiii
Liste des symboles ............................................................................................................... xv
Liste des acronymes............................................................................................................ xvi
CHAPITRE 1 Introduction ............................................................................................ 1
CHAPITRE 2 Etude bibliographique ........................................................................... 3
2.1 Motivations ................................................................................................................. 3
2.1.1 Quelques applications dans le domaine THz ................................................... 3
2.1.2 Généralités sur les détecteurs THz ................................................................... 6
2.1.3 Conclusion ........................................................................................................... 9
2.2 Le détecteur plasmonique à réseau métallique ..................................................... 10
2.2.1 Principe général de fonctionnement ............................................................... 10
2.2.2 Les effets physiques intervenant dans la rectification ................................... 13
2.2.3 Quelle hétérostructure semi-conductrice choisir ? ........................................ 19
2.2.4 Quel type de réseau choisir ? ........................................................................... 22
2.2.5 Conclusion ......................................................................................................... 24
CHAPITRE 3 Couplage entre le photon et le plasmon-polariton ............................ 26
3.1 Simulations ............................................................................................................... 26
3.1.1 Modèle utilisé .................................................................................................... 26
3.1.2 Spectre d’absorption avec réseau infini à motif symétrique ........................ 28
3.1.3 Spectres d’absorption pour les réseaux infinis à motif asymétrique ........... 29
3.1.4 Prise en compte de la taille finie du réseau .................................................... 37
3.1.5 Influence de l’épaisseur de barrière sur les spectres d’absorption pour les
réseaux infinis ............................................................................................................ 39
3.1.6 Conclusion .................................................................................................... 42
3.2 Microfabrication ...................................................................................................... 43