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CSIComité
Comitéde de
SuiviSuivi
Individuel
Individu
2018
2018
ies.univ-montp2.fr
SOMMAIRE CSI 2018
Département Capteurs Composants Systèmes
ALRAMMOUZ Rouba Conception et réalisation d’un système de détection de gaz à faible coût........... 6
BAUDRY Florian Étude et réalisation d’acceléromètres thermiques d’étendue de mesure et
bande passante supérieures à 10 000G et 5KHZ respectivement ..........................7
DESGARCEAUX Rudy Réalisation de nano-cylindres et nano-cones biréfringent pour expériences en
pince optique................................................................................................................8
DUTRIEUX Sylvain Conception d’un implant instrumenté in vivo et du système de détection associé
pour prothèse orthopédique.......................................................................................9
EL BEYROUTHY Johnny Caractérisation et modélisation des sources de bruit BF dans les transistors
bipolaires développés en technologie Bicmos........................................................10
ESSABBAR Moad Microscopie acoustique non-linéaire........................................................................11
KRET Joanna Elaboration, characterization and modelling of multijunction solar cells for high
concentration photovoltaic applications..................................................................12
MEGHIT Afaf Étude et conception de matériaux sensible pour la réalisation de capteurs
d’humidité et de gaz dédiés au diagnostic médical et agroalimentaire...............13
POLITI Bastien Design, manufacture, characterization of micro-energy sources for low power
wireless communication devices...............................................................................14
Département Photonique et Ondes
ABBES Alaeddine Sources térahertz photomelangées par antennes photoconductrices térahertz
multipolaires................................................................................................................16
ALCHAAR Rodolphe Photodétecteurs à superréseaux INAS/GASB pour le très lointain infrarouge
(VLWIR).........................................................................................................................17
DELORME Olivier Étude de l’incorporation de Bismuth lors de l’épitaxie par jets moléculaires de
matériaux antimoniures..............................................................................................18
DIAZ THOMAS Daniel Mir interband cascade VCSELS.................................................................................19
DIOUF Isidore Étude, réalisation et caractérisation d’un système de télécommunication
térahertz.......................................................................................................................20
LOGHMARI Zeineb Génération d’onde THZ par différences dans un laser à cascade quantique à
base d’INAS/ALSB......................................................................................................21
MAËS Clément Plasmonique active pour l’infrarouge sur semiconducteur fortement dopé.........22
MERIGUET Yoann Developpement de biocapteurs pour la spectroscopie térahertz des protéines.23
MONGE BARTOLOME Laura III-V optoelectronic devices integrated on photonics circuits................................24
RIO CALVO Marta Epitaxial integration of III/V devices on silicon photonic circuits...........................25
ROUSSEAU Roman Capteur QEPAS pour la surveillance de la qualité de l’air......................................26SOMMAIRE CSI 2018
SIMOZRAG Bouzid Développement technologiques de composants optoélectroniques à base
d’antimoniure..............................................................................................................27
Département Systèmes d’Énergie Fiabilité Radiations
AGUIAR Ygor Predictive tools and «radiation hardening by design» (RHBD) for SEU and set in
digital circuits..............................................................................................................29
AKRAM Shakeel High temperature polyimide nanodielectrics insulation for electric motors and
other applications.......................................................................................................30
BOUISRI Samir Developpement de nouveaux capteurs intégrés à base de matériaux
luminescents pour la dosimétrie...............................................................................31
CARNEIRO Matthias Etude d’une radio communication pour cluster de nanosatellites par radio
logicielle et accès multiple CDMA............................................................................32
DA COSTA LOPES Israel Bridging methodology from component to system-level for the assessment of
coupled radiation and degradation constraints in digital systems........................33
DARDIE Jason Étude des effets des rayonnements sur les matériaux et systèmes
électroniques...............................................................................................................34
GUAGLIARDO Salvatore Predictive tools and «radiation hardening by design» (RHBD) - SEL and
temperature effects....................................................................................................35
JEBLI Mourad Développement d’un converstisseur haute performance DC/DC à fort courant
impulsionnel................................................................................................................36
NGUYEN Tran Hoang Modélisation et simulation du phénomène de bits collés......................................37
NISKANEN Kimmo Coupled radiation effects on emerging power devices..........................................38
PELLECUER Guillaume Fatigue thermomécanique des connexions dans les modules de puissance à
semi-conducteurs.......................................................................................................39
PEREZ Flavien TID sur ASCIs Space en technologie 22 nm fully depleted sur SOI.......................40
PISCINI Lorenzo Étude d’une machine haute fréquence et hautes performances pour une
application aéronautique...........................................................................................41
RAJKOWSKI Tomasz System-in-package (SIP) radiation qualification requirements...............................42
SIDAMBAROMPOULÉ Analyse et mesure de la distribution spatiale des charges au sein de la double
Xavier couche électrique.......................................................................................................43
VALLET Arthur Modélisation markovienne de lasers à semiconducteurs.......................................44CSI 2018
Département
Capteurs Composants Systèmes
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 5CONCEPTION ET REALISATION D'UN
SYSTEME DE DETECTION DE GAZ FLEXIBLE A
FAIBLE COUT
Rouba ALRAMMOUZ
La surveillance de la qualité de l’air dans l’industrie, les villes et les foyers
domestiques présente un enjeu majeur de santé publique. C’est pourquoi,
l'intégration croissante de capteurs de gaz dans les environnements urbains,
industriels et domestiques présente un réel intérêt et sous-entend un volume
important ainsi qu’une certaine facilité d’intégration de ces capteurs. De ce
fait, il y a un intérêt croissant pour l’électronique flexible et faible coût
ainsi que les applications textiles ou smart packaging. Le but de cette thèse
est de réaliser un capteur de gaz flexible en intégrant la couche sensible
dans le substrat, au lieu de la déposer en surface en utilisant les méthodes
conventionnelles de fabrication. L’oxyde de graphène présente un candidat
idéal pour ce type d’applications, vu ses bonnes propriétés de détection de
gaz tels que l’ammoniac, l’humidité et le dioxyde d’azote, sa non toxicité,
et la possibilité de l’enrouler autour des fibres d’un substrat poreux. Une
première approche est alors de fixer les feuilles d’oxyde de graphène sur les
fibres d’un papier poreux soit par auto-assemblage, soit par liaison
covalente, tout en conservant la porosité du substrat. Une seconde approche
est de fixer la couche d’oxyde de graphène sur des fils en coton dans le but
de les utiliser dans la fabrication d’un textile intelligent pour la détection de
gaz. Les deux approches ont été testées et un travail d’optimisation de la
couche sensible a été mené afin d’améliorer la flexibilité, la porosité, la
reproductibilité et la répétabilité des capteurs fabriqués.
Mots clés : Capteur de gaz, flexible, papier poreux, textile, oxyde de graphene
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : Capteurs composants systèmes - Groupe : Matériaux, Microcapteur et Acoustique
Directeur de thèse : M. Brice SORLI et M. Roland HABCHI
Co-directeur ou encadrant : M. Jean PODLECKI et Mme Pascale ABBOUD
Type de financement : Bourse UM/CNRS L/AUF
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 6ETUDE ET REALISATION
D’ACCELEROMETRES THERMIQUES
D’ETENDUE DE MESURE ET BANDE
PASSANTE SUPERIEURES A 10 000G ET 5
KHZ RESPECTIVEMENT
Florian Baudry
Ma thèse porte sur l'étude de la résistance mécanique et sur l'optimisation
des accéléromètres thermiques à Convection (ATC). Le but de l'ATC est de
mesurer de très fortes accélérations de l'ordre de 20000g, grâce au principe
de thermo convection. Un gaz est encapsulé dans une cavité hermétique,
dans laquelle, on trouve une résistance en platine suspendue au centre, elle
même entre deux thermistances permettant de mesurer la température du
gaz. La résistance centrale génére un gradient thermique, les deux
thermistances sont à la même température lorsqu'il n'y a pas d'accélération.
Mais lorsque le dispositif subit une accélération, le gradient se déforme et la
différence de température est proportionnelle à l'accélération. Durant
deuxiéme année de thése, je me suis focalisé sur l’étude mécanique et
l’influence des déformations mécaniques sur la réponse du capteur. En effet
les simulations numériques ont montré que pour des accélérations
importantes, les résistances fléchissent jusqu’à 30μm. Avec un dispositif de
nanoindentation, les résistances ont été déformées avec une pointe en
diamant et une variation de tension a pu être quantifiée en fonction de la
déformation. D’autres manipulations de caractérisation en pot vibrant,
mesure du temps de réponse ont été entreprise, afin de valider les
performances de l’ATC et le respect du cahier des charges.
Mots clés : Piezoresistance, accélérométre thermique
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : Capteurs Composants Systèmes - Groupe : M2A
Directeur de thèse : Giani Alain (IES)
Co-directeur ou encadrant : Combette philippe(IES
Type de financement : 100% Contrat Doctoral
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 7RÉALISATION DE NANO-CYLINDRES ET
NANO-CONES BIRÉFRINGENT POUR
EXPÉRIENCES EN PINCE OPTIQUE
Rudy DESGARCEAUX
Ce projet gravite autour du développement d'une nouvelle technique de
piégeage optique (''pinces optiques''), permettant de piéger, d’appliquer et
de mesurer un couple de rotation à des particules microscopiques. Le
montage de pince optique classique permet en effet de piéger une
microparticule, ayant un indice différent du milieu dans lequel elle évolue,
dans le foyer de convergence d’un faisceau laser. En déplaçant le milieu, la
microparticule piégée restera dans le faisceau du laser. On exerce un
contrôle sur la microparticule dans l’espace, il est donc possible de réaliser
nombre d’expériences de biophysique en greffant à cette particule des
molécules ou d’autres objets d’études. Dans une configuration plus
complexe, et en utilisant une particule cylindrique usinée dans un matériau
biréfringent, il est possible en faisant tourner la polarisation du laser
d’induire et mesurer un couple de rotation à la particule. L’objet de la thèse
est la fabrication de ces particules et leur utilisation dans le piège optique.
La première partie de la thèse s'est concentrée sur la réalisation des micro-
cylindres en quartz. Le procédé de fabrication a été mis en place et la
production de cylindres est maitrisée. Les microparticules ont été utilisées
dans le piège. Les résultats des expériences et la fabrication ont fait l'objet
d'une publication. Actuellement, un procédé de fabrication de micro-pointes
a été mis en place pour réaliser de nouvelles expériences avec les pinces
optiques. Le but est de réaliser un AFM sans cantilever. Les pointes
fabriquées sont piégeables et répondent aux critères demandés. Les scans de
surface sont effectués avec de bons premiers résultats. Durant la mise au
point du procédé de fabriquation des pointes une nouvelle technique de
lithographie fut mise au point et a fait l'objet d'une présentation dans une
conférence internationale.
Mots clés : Pince optique, Plasmonique, microfabrication, scan de surface, piège de molécule unique.
Année de thèse : 1A - T0 : 01/10/2016
Département IES : Capteurs Composants Systèmes - Groupe : M2A
Directeur de thèse : Benoit CHARLOT (IES)
Co-directeur ou encadrant : Francesco PEDACI (CBS)
Type de financement : 1/2 ERC + 1/2 Contrat Doctoral
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 8CONCEPTION D’UN IMPLANT INSTRUMENTÉ IN
VIVO ET DU SYSTÈME DE DÉTECTION ASSOCIÉ
POUR PROTHÈSE ORTHOPÉDIQUE
Sylvain DUTRIEUX
L’arthroplastie totale du genou (ATG) est le fait de remplacer l’articulation du genou
par du métal et un polymère biocompatible. Elle est réalisée lorsque l’usure du
cartilage due à l’arthrose est telle que la marche devient douloureuse et qu’il y a des
risques d’inflammation [1]. Une fois la prothèse implantée dans le corps d’un patient,
il devient très difficile d’appréhender son comportement au cours du temps,
notamment son usure : après quinze ou vingt ans, l’implant peut se décrocher de l’os
ou l’os du ciment, ce qui peut conduire à des inflammations voire des infections [2].
Dans ce cadre, la startup BoneTag s’est associée avec l’IES par un contrat de
collaboration de recherche CIFRE pour concevoir un implant RFID passif capable de
tracer les prothèses de genou, mais également de détecter leur descellement de
façon précoce. La première année de thèse a permis de poser les bases d'un tel
implant. Cette deuxième année a permis d'évoluer vers l'industrialisation du
dispositif. Elle a par ailleurs permis de poser les bases d'un système d'imagerie
novateur pour implants orthopédiques.
Mots clés : RFID passive, Prothèse connectée, Capteur, Implant orthopédique, Biocompatibilité, Arthroplastie,
Descellement, IoT, Imagerie médicale, Etanchéité.
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : Capteurs - Groupe : M2A
Directeur de thèse : Brice SORLI
Co-directeur ou encadrant : Arnaud VENA
Type de financement : CIFRE
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 9CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DES
SOURCES DE BRUIT BF DANS LES
TRANSISTORS BIPOLAIRES DÉVELOPPÉS EN
TECHNOLOGIE BICMOS (SUB 55 NM) POUR
APPLICATIONS RF ET THZ
Johnny EL BEYROUTHY
Mots clés : BiCMOS, TBH, bruit basse fréquence, Sib, Sic, bruit 1/f, modèle SPICE, stress électrique,
stress radiatif, température.
Les transistors bipolaires à hétérojonction HBT Si/SiGe:C , intégrés en filière BiCMOS, sont utilisés dans
des applications RF et THz (télécommunication, radar, traitement d'image). Afin d'améliorer leurs
performances fréquentielles, il faut diminuer leurs dimensions en les adaptant à la partie CMOS.Les
HBTs sujets de cette étude sont issus de la technologie B55 (BiCMOS 55 nm) de STMIcroelectronics.
Un des problèmes associés à cette réduction est la sensibilité au bruit basse fréquence BF.Les HBTs
risquent de présenter un niveau de bruit BF plus important. Ce bruit a une implication directe sur les
performances HF d'où l'importance de cette étude. La caractérisation des HBTs porte sur une étude
statique I-V (courant d'entrée, courant de sortie et gain en courant) afin d'évaluer leur bon
fonctionnement. Ensuite, elle porte sur l'étude du bruit BF dans la gamme 1 Hz - 100 KHz. Les HBTs sont
caractérisés sous pointes coplanaires pour mesurer la densité spectrale du courant d'entré SIb(f), ou
montés en boitier pour celle de sortie SIc(f). Une densité SIb standard présente du bruit en 1/f suivi par
le bruit blanc. Des composantes de bruit de génération-recombinaison peuvent aussi être observées
surtout dans les HBTs de petite surface d'émetteur (Ae < 1 µm²). Le bruit en 1/f est étudié afin
d'alimenter les paramètres du modèle compact SPICE associé. Ce modèle sert à évaluer ce bruit et à le
comparer entre différentes technologies à travers une figure de mérite Kb. Avec les transistors testés,
nous avons évalué Kb de l'ordre de 9 10-10 µm². L'évolution quadratique de SIb à 1 Hz avec Ib et son
évolution inversement proportionnelle avec Ae indique que les sources de bruit en 1/f sont certainement
distribuées dans la région base émetteur. Pour étudier l'origine du bruit BF, les HBTs seront étudiés
sous différentes conditions: Etude en fonction d'un stress électrique, Etude en fonction d'un stress
radiatif (rayon X et gamma), Etude en fonction de la température (120 à 373 K).
Année de thèse : 1A - T0 : 25/09/2018
Département IES : Capteurs composants systémes - Groupe : M@CSEE
Directeur de thèse : Fabien PASCAL
Co-directeur ou encadrant : Bruno SAGNES
Type de financement : contrat européen TARANTO - H2020 ECSEL
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 10Comité de Suivi Individuel 2018
Page 11ELABORATION, CHARACTERIZATION AND
MODELLING OF MULTIJUNCTION SOLAR
CELLS FOR HIGH CONCENTRATION
PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS
Joanna KRET
High concentration photovoltaics (HCPV) is currently the most efficient tool
to reach solar conversion efficiency records. The latter presently belongs to
Fraunhofer/Soitec/CEA whose 4-junction solar cell delivers 46% at 508 suns.
Despite this achievement the potential of HCPV has not been reached yet
and remains very promising. Most of currently ongoing research is focused on
multijunction solar cells (MJSCs) made of III-V materials being lattice-
matched to either Ge or InP. One of the main difficulties encountered while
designing MJSCs is the choice of materials with the appropriate values of the
bandgaps (well adjusted for an optimal solar conversion), which are in
addition compatible with a chosen deposition method (lattice-matched). For
instance, the researchers struggle to find a Ge-matched material with a
bandgap of around 1 eV. Trying to get around the aforementioned
difficulties, our team suggests the use of antimony-based materials (GaSb,
AlGaAsSb) offering a large bandgap coverage (from 0.726 eV to 1.64 eV) and
being lattice-matched to GaSb.
In order to fabricate the cells independently, I have been trained for the
usage of various equipment in the clean room, such as PECVD, sputtering,
lithography, RIE or SEM. The first months of my PhD have been devoted to
the bibliographical studies on the physics of solar cells, progress of high
concentration photovoltaics and the potential of antimonide materials.
numerous elements of the fabrication process have to be adapted. The study
on different passivation methodes and materials has been chosen as my first
task. This research had been initiated by a bibliographical investigation on
that topic and computer simulations followed by a practical work.
Mots clés : Multijunction solar cells, antimonide materials, high concentration photovoltaics.
Année de thèse : 1A - T0 : 01/10/2017
Département IES : Capteurs Composants Systèmes - Groupe : M@CSEE
Directeur de thèse : Yvan Cuminal
Co-directeur ou encadrant : Frédéric Martinez, Stéphanie Parola
Type de financement : MESR
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 12ÉTUDE ET CONCEPTION DE MATERIAUX
SENSIBLE POUR LA REALISATION DE
CAPTEURS D’HUMIDITE ET DE GAZ DEDIES
AU DIAGNOSTIC MEDICAL ET
AGROALIMENTAIRE
Afaf MEGHIT
Avec l'avènement de l'électronique imprimée, les industriels imaginent de
nouvelles applications prêtes à révolutionner notre mode de consommation
toujours dans l'idée d'améliorer notre qualité de vie. Ces applications
s'appuient fortement sur une utilisation en masse de capteurs bons marchés
pouvant être intégrés sur chaque objet, c'est l'internet des objets. Parmi ces
applications nous pouvons citer deux domaines très porteurs et au fort
potentiel que sont le diagnostic médical et la sécurité alimentaire.
Dans ce contexte et la continuité d'une première thèse sur l'étude et le
développement de microtechnologies sur substrat papier pour une
application à la structuration d'Al203 poreux. Mon travail s'est orienté sur
l'optimisation et la maitrise de la technologie microélectronique sur substrats
flexibles afin de pouvoir réaliser plusieurs types de structures de capteurs.
Une étude sur la croissance de multi-couches d'Al2O3 poreux/barrière
permettant de réaliser et comparer le comportement capacitif de deux
structures, une surfacique et l'autre intégrée dans la couche poreuse a été
menée. L'outil de simulation numérique a été utilisé pour comparer le
comportement capacitif des deux structures, une mise au point du process
technologique a été faite, ainsi qu'une caractérisation en fonction de
l'humidité.
Mots clés : substrat flexible, papier, Al2O3, capteur
Année de thèse : 2A - T0 : 03/10/2016
Département IES : Capteurs Composants et Systèmes - Groupe : M2A
Directeur de thèse : Brice SORLI
Co-directeur ou encadrant : Arnaud VENA
Type de financement : 1/2 ED + 1/2 ANR
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 13DESIGN, MANUFACTURE, CHARACTERIZATION OF
MICRO-ENERGY SOURCES FOR LOW POWER
WIRELESS COMMUNICATION DEVICES
Bastien POLITI
Energy harvesting is now widely studied. It focuses on the means to scavenge energy
from the environment of low energy consumption devices (μW) order to supply power
to them. The aim is to avoid maintenance, replacement of batteries and that they can
be autonomous. The objective of the thesis is to provide power with the same principle
but for a device with a much higher power consumption (several tens of microwatts).
This device is a tablet use by the company BAP to display reservation and vacancy of
meeting rooms in coworking spaces. The first months of my PhD were focused on
bibliographical studies over existing energy harvesting technologies coupled with a
tablet consumption study. It has allowed to define which one of those many
technologies based on different energy sources is the most appropriate to power the
tablets. As a result of this first step, the research has focused on light energy harvesting.
The problematic of this harvesting method lies in the fact that power density of the
harvester need to be as high as possible in order to remain as much integrable as it can
possibly be. One of the main difficulty of such project is the fluctuant nature of light
composition and intensity, changing between natural and artificial light in indoor
environment. It implied to investigate light sources characteristics and photovoltaic
cells technologies and their behaviour. Through bibliographical research and
measurement on samples, it was possible to determine the most efficient technology
depending on the light characteristics and intensity level. Since the PhD start I had the
opportunity to use electrical characterization devices, spectrometer for radiometry
and also optical characterization benches for external quantum efficiency (EQE) and
reflectance measurements on solar cells. In order to characterize photovoltaic cells, I
also put together an apparatus to study their behaviour under different light sources
exposure and intensity. And more lately I started to get into perovskite cells making.
Mots clés : Energy Harvesting, Autonomous, Light Energy, Indoor Harvesting, Solar Cells, Photovoltaic
Année de thèse : 1A - T0 : 17/05/2018
Département IES : CSS - Groupe : M@CSEE
Directeur de thèse : Alain FOUCARAN
Co-directeur ou encadrant : Nicolas CAMARA / Marie PIQUEMIL
Type de financement : CIFRE N°2017/0331
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 14CSI 2018
Département
Photoniques et Ondes
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 15SOURCES TERAHERTZ PHOTOMELANGEES
PAR ANTENNES PHOTOCONDUCTRICES
TERAHERTZ MULTIPOLAIRES
Alaeddine ABBES
Aujourd'hui, le gap THz a montré des applications potentielles dans les
domaines de la spectroscopie THz, du contrôle non-destructif industriel, de
la sécurité, des télécommunications, de l'astronomie et du spatial et plus
récemment dans le domaine pharmaceutique et biomédical. Il existe
plusieurs sources THz basées sur des méthodes électroniques
(multiplicateurs) ou optiques (rectification optique). Ces sources sont
souvent d'utilisation coûteuses ou difficiles de par leur encombrement. Dans
le cadre de cette thèse, nous utilisons une approche photonique basée sur le
battement optique d'une source VeCSEL bifréquence recemment développée
au laboratoire, en excitant un matériau photoconducteur. Ce dernier,
modulant la conductivité d'une antenne polarisée, rayonne dans le gap THz :
ces sont des antennes photocondutrices. Cette méthode est basée sur le
photomélange, elle exploite des technologies photoniques matures mais
reste limitée en terme de puissance de sortie disponible. Depuis le début de
cette thèse, nous avons remonté le VeCSEL bifréquence, effectué des
manipulations afin de mieux maîtriser cette source et essayé de comprendre
certains phénomènes physiques à l'origine d'une grande différence de
fréquence du battement optique du VeCSEL. Dans les prochains mois : nous
prévoyons d'effectuer une étude d'accordabilité (différence de fréquence du
battement) de la source en utilisant un élément piézoélectrique. Des
manipulations sont prévues pour caractériser les antennes photoconductrices
plasmoniques fabriquées à l'UCLA (Université de Los Angeles) dans le cadre
d'une collaboration scientifique ainsi qu'une antenne photoconductrice
simple récemment fabriquée au laboratoire. Enfin, des simulations
d'antennes photoconductrices THz multipolaires sont prévues.
Mots clés : VeCSEL bifréquence, photomélange, THz, antennes photoconductrices, plasmonique
Année de thèse : 1A - T0 : 02/10/2017
Département IES : Photonique et Ondes - Groupe : TéHO
Directeur de thèse : Luca Varani
Co-directeur ou encadrant : Stéphane Blin
Type de financement : Contrat doctoral handicap
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 16PHOTODETECTEURS A SUPERRESEAUX INAS
/GASB POUR LE TRES LOINTAIN
INFRAROUGE (VLWIR)
Rodolphe ALCHAAR
Mes travaux de thèse s’inscrivent dans le projet de recherche intitulé
«Photodétecteurs à superréseaux InAs /GaSb pour le très lointain infrarouge
(VLWIR)».
L'équipe NANOMIR de l'IES a développé depuis plusieurs années une expertise
sur les photodétecteurs à superréseaux (SR) InAs/GaSb réalisés par épitaxie à
jets moléculaires (EJM). Bien que des premières caméras IR à base de
photodétecteurs SR opérant dans le moyen infrarouge (MWIR - 3-5μm) et
l'infrarouge lointain (LWIR - 8-12μm) ont récemment été commercialisées,
aucune caméra n’a pour l’instant pu être réalisée dans le très lointain IR.
Depuis début 2016, l'équipe participe avec les entreprises IRnova (entreprise
suédoise fabriquant de détecteurs IR) et Airbus-DS (Airbus Defense and
Space) à un projet ESA dont l'objectif est la démonstration de détecteurs IR à
SR présentant une longueur d'onde de coupure à 15μm (très grande longueur
d'onde VLWIR) pour applications spatiales.
C'est dans ce contexte que se déroule ma thèse dont l'objectif est de définir,
fabriquer et étudier de nouveaux détecteurs à superréseaux pour le VLWIR.
Ces détecteurs présentent des architectures dites à barrières de type XBp.
Mon travail de thèse durant les deux dernières années consistait à définir les
designs des structures, à réaliser les composants à partir des couches
épitaxiées par EJM et à les caractériser.
Au cours de ma présentation, je présenterai donc les designs des différentes
structures à SR réalisées à l'IES, leurs caractérisations structurales,
électriques et électro-optiques associées. Je présenterai ensuite les besoins
identifiés en protocoles technologiques nécessaires à l'amélioration des
performances de ces composants.
Mots clés : Photodétecteurs, infrarouge, InAs/GaSb, épitaxie, fabrication, caractérisation.
Année de thèse : 2A - T0 : 01/11/2016
Département IES : Photoniques et ondes - Groupe : Nanomir
Directeur de thèse : Philippe CHRISTOL
Co-directeur ou encadrant : Jean-Baptiste RODRIGUEZ
Type de financement : Contrat
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 17ETUDE DE L’INCORPORATION DE BISMUTH
LORS DE L’EPITAXIE PAR JETS
MOLECULAIRES DE MATERIAUX
ANTIMONIURES
Olivier DELORME
Les alliages III-V à base de Bismuth sont les moins étudiés des III-V. Cela
s’explique par le fait que Bi est le plus gros élément V et s’incorpore
difficilement. La croissance des matériaux III-V-Bi nécessite des conditions
d’épitaxie inhabituelles et contraignantes. Malgré ces inconvénients, les
effets induits par l’incorporation de Bismuth sont prometteurs : forte
réduction de l’énergie de bande interdite, augmentation de la différence
d’énergie entre la bande de valence et la bande de Spin-Orbit, insensibilité
du gap à la température… Lors de mes deux premières années de thèse, j'ai
établi les conditions de croissances permettant l’incorporation de Bismuth
dans le GaSb. Pour cela, j'ai notamment mis au point une technique
permettant d'observer in situ l'incorporation de Bi grâce à la réflexion et
diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante. Ces conditions
m’ont permis d’épitaxier des couches simples de GaSbBi à forte
concentration de Bismuth ainsi que des puits quantiques. Un premier laser à
base de GaSbBi a également été réalisé. Enfin, j'ai ajouté de l'Indium au
GaSbBi, afin d'améliorer les propriétés optiques et de réduire encore le gap
du matériau. Les échantillons ont été caractérisés par diffraction par rayons
X, photoluminescence ou encore microscopie à force atomique. De plus, des
collaborations européennes ont permis d'effectuer des mesures de
photoréflectance et de microscopie électronique en transmission.
La troisième année de thèse sera axée sur l'amélioration de l'incorporation
de Bi dans GaSb, afin d'étendre les longueurs d'onde d'émission et d'obtenir
de meilleures performances optiques. Pour cela, différents modes de
croissance et structures vont être testés. Enfin, j'étudierai l'effet surfactant
du Bismuth lors de l'épitaxie de semiconducteurs III-V.
Mots clés : Bismuth - Epitaxie par jets moléculaires - Semi-conducteurs III-V - GaSb
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : Photonique et Ondes - Groupe : NANOMIR
Directeur de thèse : Eric TOURNIE
Co-directeur ou encadrant : Jean-Baptiste RODRIGUEZ
Type de financement : Crédits ANR
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 18MIR INTERBAND CASCADE VCSELS
Daniel Andrés DÍAZ THOMAS
The mid infrared (MIR) spectral range is of particular interest for
spectroscopic applications. Tunable diode laser absorption spectroscopy
(TDLAS) can thus be used for highly selective and sensitive gas detection in
this range. Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are particularly
well suited to TDLAS due to their intrinsic characteristics. The low threshold
current, single frequency emission with a circular low divergent output beam
are several of their characteristics. However, there is no VCSELs operating in
the range of 3-5 µm in cw regime.
During my first year of PhD, I developed the simulation and design of the
interband cascade (IC) active region emitting at 3.3 µm. After the growth of
the structure by molecular beam epitaxy, I performed the whole device
processing in cleanroom. I used photolithography, electron beam physical
vapor deposition for contacts, plasma-enhanced chemical vapor deposition
for dielectrical isolation, and inductively coupled plasma etching to make
the laser ridges. Finally, I obtained edge emitting lasers emitting at 3.3 µm
in CW regime up to 55°C. Electrical and optical characterizations were made
on these samples to study the performances and the behaviours of this laser.
My second year of PhD will focus on the use of such active regions in VCSELs.
To achieve so, simulation, design, fabrication and characterization of IC-
VCSELs will be carried out.
Mots clés : MIR, ICL, VCSEL, antimonide, nanotechnology
Année de thèse : 1A - T0 : 01/10/2017
Département IES : Photonique et Ondes - Groupe : Nanomir
Directeur de thèse : Laurent CERUTTI
Co-directeur ou encadrant : Alxeï BARANOV
Type de financement : crédits ANR
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 19ÉTUDE, RÉALISATION ET CARACTÉRISATION
D'UN SYSTÈME DE TÉLÉCOMMUNICATION
TÉRAHERTZ
Isidore DIOUF
Le domaine de fréquences térahertz s’étend environ de 100 GHz à 10 THz.
Une télécommunication basée sur des fréquences porteuses térahertz
permet d’atteindre des transmissions à très haut débit jusqu’à
potentiellement 100 Gbps, d’où son importance dans les transmissions sans
fil. Par contre il existe peu de dispositifs électroniques capables de générer
et de détecter les radiations térahertz. Nous nous intéressons à l’étude de la
détection de ces radiations par un transistor bipolaire à hétérojonction basée
sur le phosphure d’indium (InP). Nous caractérisons ainsi ce transistor monté
en émetteur commun, et étudions le signal détecté constitué par une tension
continue mesurée sur le collecteur lorsque le transistor est irradié avec le
faisceau généré aux alentours de 0,3 THz. La sensibilité du détecteur ainsi
mesurée est de 0,35 V/W avec une fréquence de coupure proche de 10 GHz
et une impédance de sortie relativement grande (kΩ) comparée au standard
pour les lignes de télécommunication hyperfréquences (50 Ω). Dès lors, cette
sensibilité mesurée n’est pas suffisante pour établir un système de
communication ultrarapide (débit d’au moins 10 Gbps) avec la source
térahertz d'une puissance de 10 µW. Par la suite, une augmentation de la
sensibilité et une adaption de l'impédance du transistor ont permis d'établir
une transmission héterodyne d'un signal vidéo HD à 1,5 Gbps. Nous nous
sommes aussi intéressés à l’étude du même transistor couplé sur sa base
avec une antenne spirale logarithmique pour augmenter la sensibilité. Nous
présenterons les enjeux associés à cette antenne par des simulations
électromagnétiques 3D . Nous montrerons qu’un design adéquat associé à un
montage sur lentille silicium devrait permettre une augmentation suffisante
de la sensibilité pour réaliser une communication haut débit.
Mots clés : térahertz, communication, composants électronique, sytèmes.
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : PHOTONIQUE & ONDES - Groupe : TéHO
Directeur de thèse : Luca VARANI
Co-directeur ou encadrant : Stéphane BLIN
Type de financement : UM
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Page 20GENERATION D'ONDE THZ PAR DIFFERENCE
DE FREQUENCES DANS UN LASER A
CASCADE QUANTIQUE A BASE D'INAS/ALSB
Zeineb LOGHMARI
la thèse est axée sur l'étude et la réalisation d'un laser à cascade quantique
(LCQ) émettant dans le térahertz (THz) par différence de fréquences. La
zone active du LCQ est composée de semiconducteurs InAs/AlSb émettant à
deux longueurs d'onde différentes dans le lointain infrarouge (Far-IR),
λ≥16µm. Cette zone active est couplée à un réseau à doubles périodes. Ce
dernier filtre spatailement les modes optiques et produit une émission
bifréquences. Un guide d'onde double métal est utilisé pour le confinement
optique simultané des ondes THz et Far-IR. Cette structure permettra
d'obtenir une source THz compacte et efficace fonctionnant à température
ambiante (TA).
Dans un premier temps, j'ai simulé des structures LCQ à contre réaction
répartie (DFB) utilisant un guide d'onde diélectrique. J'ai participé à la mise
en place de la lithographie électronique à l'IES, me permettant de
développer un processus de fabrication du LCQ DFB. J'ai pu ainsi obtenir une
structure DFB à émission mono-fréquence (λ=11µm), fonctionnant en régime
continu à TA. Par ailleurs, le laser réalisé à pu etre utilisé au sein du groupe
NANOMIR pour la spectroscopie de l'éthylène. En parallèle, j'ai étudié
l'optimisation et la réalisation des LCQ émettant à grandes longueurs d'ondes
(λ=20μm). Pour cela, j'ai mis au point un processus de fabrication de LCQ
utilisant un guide d'onde double métal (DM). J'ai également effectué des
simulations sur les LCQ DFB à guide d'onde DM afin d'étudier les pertes
optiques, le confinement et le couplage des modes. Finalement, j'ai réalisé
un premier LCQ à double longueurs d'ondes d'émission (λ=17μm et λ=19μm)
dont la différence de fréquence entre les deux est de 1.8THz. L'objectif de
ma troisième année de thèse est de combiner les LCQ bi-fréquence avec un
guide d'onde DM, permettant d'obtenir une émission dans le THz.
Mots clés : Laser à cascades quantiques, lointain infrarouge, lithographie électronique, ondes THz.
Année de thèse : 2A - T0 : 01/10/2016
Département IES : photoniques et ondes - Groupe : Nanomir
Directeur de thèse : Alexei BARANOV
Co-directeur ou encadrant : Michael BAHRIZ, Roland TEISSIER
Type de financement : allocation école doctorale
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 21PLASMONIQUE ACTIVE POUR
L'INFRAROUGE SUR SEMICONDUCTEUR
FORTEMENT DOPÉ
Clément MAËS
Le cadre de la thèse est l'imagerie multispectrale infrarouge et la
plasmonique. Tandis qu'usuellement l’étude des plasmons se fait sur des
métaux, j’explore le potentiel des semiconducteurs fortement dopés pour
les remplacer. Ce matériau permettrait une intégration simplifiée de
photodétecteur ou d’émetteur et offrirait la possibilité de modifier la
fréquence de résonance des plasmons. Des calculs électromagnétiques ont
été effectué pour déterminer les structures géométriques et les propriétés
optiques d'architectures « GMR » usuellement constituées d'un guide
d’onde en diélectrique, siège de la résonance et d'un réseau en
diélectrique/métal pour le couplage de l'onde incidente/transmise et le
mode guidé. J’étudie la possibilité d’utiliser des semiconducteurs (guide
d’onde en semiconducteur intrinsèque - réseau en semiconducteur
fortement dopé). Le dimensionnement du composant a été réalisé à
l’ONERA, fabriqué à l’IES et sera caractérisé à l'ONERA après le
développement d'un banc de caractérisation dédié. En parallèle, j’étudie la
un empilement approprié de matériau fortement dopé permettant, par
application d’une tension électrique, de déplacer les électrons libres issus du
dopage à l’interface réseau-guide, ce qui modifierait alors localement l’indice
de réfraction et donc directement les conditions de guidage de la lumière
par variation de phase.
Mots clés : nanophotonique, infrarouge, semiconducteurs, électromagnétisme, plasmonique.
Année de thèse : 1A - T0 : 02/10/2017
Département IES : Photonique et Ondes - Groupe : Nanomir
Directeur de thèse : Thierry Taliercio (IES) - Riad Haïdar (ONERA)
Co-directeur ou encadrant : Grégory Vincent (ONERA)
Type de financement : ONERA
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 22DEVELOPPEMENT DE BIOCAPTEURS POUR LA
SPECTROSCOPIE TERAHERTZ DES
PROTEINES
Yoann MERIGUET
La diffusion brownienne de biomolécules en mouvement libre est
généralement considérée comme le moteur de la dynamique de la
machinerie moléculaire qui maintient les fonctions cellulaires et donc la vie.
Cependant la grande efficacité et la rapidité des rencontres entre protéines
partenaires dans les cellules nécessite une explication plus convaincante que
la marche aléatoire de protéines.
Il a été avancé qu’une interaction entre la diffusion brownienne et des
interactions électrodynamiques à longues distances (jusqu’à plusieurs
milliers d’angström) pouvait accélérer de manière significative le nombre de
rencontres des biomolécules. Un modèle mis au point en 1972 par H. Fröhlich
permettrait, en créant des oscillations collectives de protéines hors
équilibre, l’apparition de moments dipolaires moléculaires géants. Jusqu’à
maintenant aucune preuve expérimentale n’indique que ces oscillations
collectives, qui devraient se situer dans la gamme des fréquences TéraHertz,
sont suffisamment importantes pour activer des interactions entre
biomolécules.
J'ai montré expérimentalement que des protéines modèles mises hors
équilibre par une excitation externe présentent des comportements
similaires aux prédictions théoriques du modèle de Fröhlich : à la fois des
oscillations collectives de protéines et l’apparition d’agrégats de protéines
liés à l’activation d’interactions électrodynamiques à longues distances.
Par la suite, je souhaite améliorer mon dispositif expérimental par le
développement de canaux microfluidiques permettant de réduire la quantité
d’eau à la surface de mon détecteur. Je vais aussi analyser de nouvelles
protéines végétales afin de détecter des signatures spectrales typiques.
Mots clés : Spectroscopie, TéraHertz, Protéines, biocapteurs
Année de thèse : 1A - T0 : 01/10/2017
Département IES : Electronique - Groupe : Spectroscopie TéraHertz
Directeur de thèse : Jérémie Torres
Co-directeur ou encadrant : Dominique Coquillat
Type de financement : 50% Région Occitanie, 25% IES, 25% L2C
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 23III-V OPTOELECTRONIC DEVICES
INTEGRATED ON PHOTONICS CIRCUITS
Laura MONGE BARTOLOME
Detection and concentration measurements of many biological and chemical
species is of crucial interest for many societal applications such as health
monitoring and diagnosis, detection of biological compounds, monitoring of
toxic gases emitted by industries, or of greenhouse gas emission responsible
for global warming, to name but a few. Most molecules exhibit absorption
fingerprints in MIR spectral range, therefore MIR sensors are needed. They
require adequate MIR sources which should operate in continuous mode at
room temperature, and emit a few mW of single-frequency output power.
Such sources consist mainly in III-V antimony-based laser diodes (LDs) and/or
quantum cascade lasers (QCLs). The technology trend indicates that these
sensors will surely rely on Si photonic integrated circuits (PICs), which will
allow transferring part of the complex III-V technology needed to get single
mode operation to the well-established Si technology. One of the main
challenge is thus the integration of III-V devices on Si.
Epitaxial integration of III-V lasers on Si wafers has shown much progress in
the past few years. IES has demonstrated GaSb-based LDs in the 1.5 µm to
2.X µm range and InAs/AlSb QCLs grown on off-axis Si wafers. The next step
is to integrate these devices on/with PICs. This is the objective of this PhD
work.
I started in April 2018 and I have been trained on clean-room procedures and
processing equipments. In particular, I have fabricated GaSb-based LDs
grown on GaSb wafers emitting near 2.3 µm. They operate under continuous
wave and exhibit performances comparable to the state of the art. This
opens the way to the next step, processing of GaSb-based lasers diodes
grown on Si, in order to move towards the main aim.
Mots clés : optoelectronics, Si photonics, integration, GaSb
Année de thèse : 1A - T0 : 01/04/2018
Département IES : Photonique - Ondes - Groupe : nanoMIR
Directeur de thèse : Eric Tournié
Co-directeur ou encadrant : Michaël Bahriz
Type de financement : Projet européen H2020
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 24EPITAXIAL INTEGRATION OF III/V DEVICES
ON SILICON PHOTONIC CIRCUITS
Marta RIO CALVO
The combination of the silicon technology with the optical and electrical
advantages of the III-V semiconductors is under active consideration for
developing novel optoelectronic devices, like photonic integrated circuits.
Two options have been used for achieving this integration: bonding and
heterogeneous epitaxy. Although a remarkable work has been done with the
bonding integration, the heterogeneous epitaxy is promising due to lower
cost and increased integration density. However, the epitaxial growth of III-V
materials directly on silicon remains a difficult challenge. The large lattice,
thermal mismatch and the polar/non-polar interface induce the formation of
various type of crystallographic defects. Understanding the growth
mechanisms is therefore essential to obtain the high quality materials
required for the optoelectronic devices. The integration of gallium antimony
(GaSb) on silicon has attracted great attention due to its application in the
infrared optoelectronics systems. Nevertheless, its integration to Silicon is
not trivial, that’s why it has been used a 3D aluminium antimonide (AlSb)
nucleation layer (NL) to obtain a good quality GaSb layer.
During these months, I have been worked on the clean room procedure in
order to prepare the silicon substrates, molecular beam epitaxial growth
method and characterization such as reflection high-energy electron
diffraction, x-ray and atomic force microscopy. In particular, I have grown
good quality GaSb on Silicon (001) with 6° of miss cut angle using a 2D GaAs
NL. It has been found that the samples growth with this GaAs NL are better
than the ones obtained using an AlSb NL. Still on the idea of improving the
monolithical integration, one of the main future prospects is to be able to
grow the III/V materials on top of silicon 0°, to ensure compatibility with the
silicon industry standards. To sum up, the purpose of this work is to open up
the way to grow and characterize GaSb/Silicon lasers, which will allow the
development of a new optoelectronic technology.
Mots clés : epitaxy, silicon photonics, optoelectronics, integration, GaSb
Année de thèse : 1A - T0 : 01/09/2017
Département IES : Photonique - Ondes - Groupe : nanoMIR
Directeur de thèse : Eric Tournié
Co-directeur ou encadrant : Jean Baptiste Rodriguez
Type de financement : Bourse ministérille
Comité de Suivi Individuel 2018
Page 25CAPTEUR QEPAS POUR LA SURVEILLANCE
DE LA QUALITE DE L’AIR
Roman ROUSSEAU
Cette thèse se porte sur le développement d’un capteur multi-gaz/multi-
laser basé sur la spectroscopie photo-acoustique par lasers accordables et
destiné à la mesure et au contrôle de la qualité de l’air ambiant. Bien que
des capteurs soient déjà présents sur le marché, ils présentent de
nombreuses limitations (faible compacité, mauvaise sélectivité,
complexité…) Le capteur développé sera compact et permettra une
détection multi-espèces, tout en conservant des performances équivalentes,
voire meilleures, en termes de sensibilité et de sélectivité.
Des capteurs de gaz hautes performances et bas-coûts peuvent être obtenus
avec la spectroscopie photo-acoustique (QEPAS, Quartz Enhanced
Photoacoustic Spectroscopy). Cette thèse implique la mise en œuvre de
sources laser infra-rouges et d’une cellule de détection (spectrophone)
QEPAS afin d’assurer une compacité optimale au niveau optique et
électrique. La technique QEPAS possède de nombreux avantages : elle est
simple, compacte, sensible et sélective. 5 partenaires sont impliqués dans le
projet dont 2 laboratoires et 3 industriels.
Durant cette première année, le travail s’est porté sur la détection de
l’éthylène : un laser moyen infra-rouge de type QCL (Quantum Cascade
Laser), fabriqué au sein de l’équipe NanoMIR est au cœur du prototype.
L’enjeu réside dans l’adaptation à la technologie du laser employé (QCL).
Cela ouvre des perspectives en termes d’amélioration des capacités de
détection. Un deuxième capteur (qualité de l'air) est également en cours de
développement : les espèces chimiques CH4, CO et NH3 pourront être
mesurées simultanément ; le capteur sera compact et sélectif. Ces
développements expérimentaux sont accompagnés de simulations théoriques
sur la forme des signaux de spectroscopie, avec la prise en compte de
paramètres complexes (propriétés intrinsèques du laser…). Par la suite, le
capteur sera optimisé sur le plan optique, acoustique et électronique.
Mots clés : Capteur, Laser infra-rouge, Optique, Spectroscopie, Qualité de l'air
Année de thèse : 1A - T0 : 01/10/2017
Département IES : Photonique et ondes - Groupe : NanoMIR
Directeur de thèse : Aurore VICET
Co-directeur ou encadrant : /
Type de financement : ANR
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