Thèse Développement de Photodiodes à Avalanche à Photon Unique Spad Compatibles Silicium pour le Proche Infrarouge H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : INSA Lyon
École doctorale : EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon
Laboratoire de recherche : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon
Direction de la thèse : Francis CALMON ORCID 000000015076076X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-10T23:59:59

Les photodiodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont des photodétecteurs très appréciés pour la mesure dite de 'temps de vol' dans le proche infrarouge grâce à leur forte sensibilité et grande rapidité [1]. Les SPAD sont facilement intégrables dans les technologies silicium CMOS et les améliorations continues (ingénierie de jonction, lentille, intégration 3D, tranchée d'isolation, nanostructuration etc.) permettent d'obtenir des SPAD avec d'excellentes performances mais limitées aux longueurs d'onde du visible (en pratique jusqu'à 950nm) [2-4]. Pour les longueurs d'ondes supérieures, nécessaires par exemple pour les applications d'imagerie 3D pour l'aide à la navigation et les communications optiques sans fil, l'association d'architecture complexe et de matériaux photosensibles dans le proche infrarouge (SiGe, Ge, matériaux III-V) devient nécessaire, entrainant une complexité technologique [5-11].
L'INL développe une approche originale en proposant une architecture SPAD hybride III-V sur silicium avec une zone d'absorption en matériau III-V associée à une zone de multiplication dans le silicium avec pour avantages attendus i) une intégration compatible avec les technologies CMOS, ii) une optimisation des performances (bruit et efficacité de détection) mais introduisant plusieurs défis : obtenir une hétérojonction avec de bonnes propriétés de transport électrique, optimiser l'architecture de la SPAD pour maximiser la photogénération et la collecte des charges, développer une approche compatible CMOS. Pour ce projet ; l'INL s'appuie sur ses capacités technologiques notamment la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'alliages III-V et sur un partenariat avec le laboratoire LTM pour la fourniture de substrats optimisés pour cette croissance en minimisant les dislocations traversantes et les parois anti-phase.
Les premières structures de photodiodes à base de matériau III-V sur silicium ont été réalisées et caractérisées avec succès, les futurs travaux se focaliseront sur l'hétérojonction (défauts, barrières etc.) et la proposition d'architectures avec les procédés de fabrication associés.
Cette thèse doit s'appuyer sur ces travaux préliminaires et aura pour objectifs :
- La prise en main et la poursuite de l'optimisation des développements technologiques notamment la passivation,
- La définition d'architectures de photodiodes compatibles au fonctionnement en mode SPAD (Geiger) en passant par l'usage d'outils de simulations TCAD,
- La fabrication des dispositifs en salle blanche,
- La caractérisation de la première SPAD hybride III-V sur silicium.

L'INL mène des travaux sur le développement de nouvelles architectures de photodiodes à avalanche à photon unique [6] [12-14] (équipe Électronique) et sur la l'intégration monolithique hétérogène de matériaux fonctionnels sur silicium notamment par épitaxie par jets moléculaires (équipe Matériaux Fonctionnels et Nanostructures) [15]. Le LTM mène des travaux sur la croissance et l'intégration de semi-conducteurs III-V sur silicium [16-17]. Les deux laboratoires collaborent pour développer des photodétecteurs dans le proche infrarouge sur silicium.

Au travers de cette collaboration INL - LTM, l'objectif est de proposer, de concevoir, de réaliser et de caractériser un photodétecteur (de type SPAD - Single Photon Avalanche Diode) intégrant une couche photosensible en matériau III-V sur un substrat silicium.
Pour adresser le problème de la faible absorption du silicium dans le proche infrarouge (NIR), la couche en matériau III-V (ex. cavité de InGaAs) permettra une meilleure absorption des photons NIR pour une augmentation du nombre de porteurs photogénérés. Ensuite le concept de 'séparation des zones d'absorption, de transport des charges et de multiplication (Separate Absorption Charge and Multiplication - SACM [7-9] [18])' devra permettre de collecter et de transporter les charges de la couche III-V pour atteindre la zone de multiplication dans le silicium où l'avalanche se déclenche (diode PN) grâce à une ingénierie de jonction (graduel de dopage / champ électrique etc.).
Après une large étude bibliographique et en bénéficiant des résultats des travaux passés et des moyens disponibles dans les laboratoires INL et LTM, l'étude s'appuiera sur l'utilisation d'outils de simulations TCAD pour proposer une architecture pertinente et compatible avec les procédés technologiques disponibles. Certaines briques technologiques devront être validées (qualité de l'interface entre matériau III-V et silicium, prise de contacts, gravure, passivation) avant d'aboutir au photodétecteur final. De nombreuses variantes technologiques devront être investiguées pour confronter les résultats de simulations et expérimentaux (caractérisations électriques et électro-optiques).
Plusieurs verrous sont identifiés:
- Sur le plan technologique : les travaux passés et en cours ont déjà permis de définir des approches efficaces pour la réalisation de contacts ohmiques sur matériaux III-V, les gravures sélectives. Le verrou principal repose sur l'obtention de la meilleure interface possible entre le matériau III-V et le substrat silicium-buffer. La passivation des couches afin de minimiser le courant d'obscurité est toujours un sujet d'actualité et nécessitera également d'être étudiée.
- Sur le plan modélisation / simulation : une méthodologie de simulation électro-optique est disponible [14] mais elle devra être adaptée aux longueurs d'ondes proche infrarouge et surtout à la prise en compte de phénomènes physiques nouveaux liés aux hétérojonctions.
- Sur le plan de la caractérisation électro-optique : un banc est en cours de finalisation, la difficulté reste la fiabilité de la calibration pour obtenir une bonne précision de la réponse spectrale mesurée dans le proche infrarouge.

Programme de recherche et démarche scientifique proposée :
Les premières structures de photodiodes à base de matériau III-V sur silicium ont été réalisées et caractérisées avec succès, les futurs travaux se focaliseront sur l'hétérojonction (défauts, barrières etc.), puis sur la proposition d'architectures avec les procédés de fabrication associés.
Cette thèse doit s'appuyer sur nos travaux préliminaires et aura pour objectifs :
- La prise en main et la poursuite de l'optimisation des développements technologiques notamment la passivation,
- La définition d'architectures de photodiodes compatibles au fonctionnement en mode SPAD (Geiger) en passant par l'usage d'outils de simulations TCAD,
- La fabrication des dispositifs en salle blanche (NanoLyon),
- La caractérisation de la première SPAD hybride III-V sur silicium.

Le programme de recherche prévisionnel est le suivant :
- 1ère année de thèse :
* Bibliographie et formation sur les outils de simulation et de caractérisation.
* Découverte des compétences et moyens disponibles des deux côtés LTM et INL et prises de connaissance des travaux antérieurs.
* Proposition de nouvelles architectures en identifiant les difficultés technologiques et les limites.
* Développement d'un modèle de simulations TCAD.
* Développement de briques technologiques spécifiques (croissance matériaux III-V, prise de contacts, gravure etc.).
- 2ème année de thèse :
* Poursuite du développement du modèle de simulations TCAD pour développer une architecture optimisée.
* Assemblage des briques technologiques pour définir le flot de fabrication.
* Fabrication de prototypes #1.
* Caractérisations électriques et électro-optiques des prototypes, analyses et retour sur les architectures pour amélioration
- 3ème année de thèse :
* Poursuite des développements technologiques.
* Fabrication de prototypes #2.
* Caractérisations électriques et électro-optiques des prototypes #2, analyses pour future amélioration
* Rédaction et soutenance.

Candidat titulaire d'un diplôme de Master ou d'ingénieur en micro-nanoélectronique. Le candidat doit de préférence avoir un très bon niveau de connaissance en physique des semi-conducteurs et en science des matériaux. Le candidat sera en contact avec des experts de différents domaines car le travail demandé est pluridisciplinaire (matériaux, intégration, caractérisation électrique et optique, modélisation). En outre, il est demandé un bon esprit d'équipe et une bonne maîtrise de la langue anglaise.