KINETIC MONTE CARLO SIMULATION OF GaAs GROWTH ON (001) SILICON

M. Silvestre,¹,²* A. Gilbert,¹ J.-B. Rodriguez,¹ and E. Tournié²,³

¹IES, University of Montpellier, CNRS, F-34000 Montpellier, France

²RIBER SA, F-95870 Bezons, France

³Institut Universitaire de France (IUF), F-75005 Paris, France

*E-mail: milan.silvestre@umontpellier.fr

## SUMMARY

We studied antiphase boundaries (APB) suppression during the growth of GaAs on Si (001) substrates. The kinetics of anisotropic growth is described by Kinetic Monte-Carlo (KMC) simulations that reveal atomic details of the growth.

## 1. INTRODUCTION

The direct growth of III-V semiconductors on silicon substrates is of major interest for integrated photonics. However, it is plagued by various crystal defects. In particular, antiphase domains (APDs) are delineated by antiphase boundaries (APBs), 2D defects that act as shorts when they reach electrically active regions of devices [1]. Recently, Gilbert *et al.* demonstrated a growth strategy for APB suppression by APD burying during GaAs growth on (001) Si substrates [2]. In this work, we simulate the growth of GaAs on Si using the Kinetic Monte-Carlo (KMC) method, to better understand the APD burying mechanism.

## 2. KMC MODEL

We have developed an out-of-equilibrium model of GaAs growth on Si. KMC describes stochastic events such as adatom arrival and diffusion on a growing surface. The growth dynamics is analyzed via a Monte-Carlo solid-on-solid model where the process rates depend on nearest neighbor interactions and main crystallographic directions. First, the Si and GaAs surface energies are chosen to reproduce a 3D Volmer-Weber growth mode of GaAs on Si. Then, the anisotropy of the diffusion and incorporation events [3] is taken into account by considering different energetic barriers depending on the main crystallographic directions.

<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>Figure 1 GaAs on Si APB burying by KMC simulation</figcaption></figure>

## 3. RESULTS

Our simulations show that small differences between the diffusion energy barriers between [110] and [110] GaAs directions impact the domain growth. KMC simulations show that the As-polar phase slowly buries the Ga-polar phase during the growth, eventually resulting in an APB-free surface as shown in [2]. This work confirms that APD burying is due to the anisotropic diffusion and incorporation of Ga atoms on the GaAs surface, which leads to preferential growth directions depending on the GaAs phase.

## 4. ACKNOWLEDGMENTS

Part of this work was sponsored by "France 2030" (Equipex EXTRA, ANR-11-EQPX-0016, Equipex+ HYBAT, ANR-21-ESRE-0026).

## 5. REFERENCES

[1] H. Kroemer, J. Cryst. Growth **81**, 193 (1987).

[2] A. Gilbert, M. Ramonda, L. Cerutti, C. Cornet, G. Patriarche, É. Tournié, and J. Rodriguez, Adv. Opt. Mat. **11**, 2203050 (2023).

[3] K. Ohta, T. Kojima, and T. Nakagawa, J. Cryst. Growth **95**, 71 (1989).
# DIRECT GROWTH OF GASB ON GE, GE-ON-SI AND SIGE-ON-SI PLATFORMS FOR INTEGRATED MID INFRA-RED PHOTONICS

M. Silvestre¹,², A. Gilbert,¹ S. Calcaterra³, G. Isella³, J-B. Rodriguez¹, and E. Tournié¹,⁴*

¹IES, University of Montpellier, CNRS, F - 34000 Montpellier, France

²RIBER SA, F - 95870 Bezons, France

³L-NESS, Politecnico di Milano Dipartimento di Fisica, I - 22100 Como Italy

⁴Institut Universitaire de France (IUF), F-75005 Paris, France

* E-mail: milan.silvestre@umontpellier.fr

## SUMMARY

We study the growth of GaSb on germanium-based platforms for mid-infrared photonics. Anti-phase domain are buried in a 500 nm GaSb buffer layer on Ge and Ge-on-Si templates thanks to slightly miscut substrates or chemically-mechanically polished surfaces.

## 1. INTRODUCTION

Integrated mid-infrared (MIR) photonics is of major interest for free-space communications, bio-sensing, etc. III-V antimony-based lasers are efficient MIR light sources that can be grown on passive Si photonic circuits. However, most Si-based materials absorb a large part of the MIR spectrum above 8 µm, in contrast to germanium which has a wide MIR transparency window [1]. The direct growth of III-Sb materials on Ge substrates or Ge-on-Si templates would allow the development of integrated photonic circuits operating at long wavelengths (up to 14 µm). Still, III-V heteroepitaxy on group-IV substrates is plagued by various crystal defects. In particular, anti-phase boundaries (APBs) are 2D defects delineating antiphase domains (APDs). They are particularly detrimental to devices because they act as short circuits. In this work, we investigated the growth of GaSb on Ge substrates and on Ge-on-Si templates grown by low-energy plasma-enhanced CVD (LEPECVD) [2].

## 2. ANTIPHASE DOMAINS BURYING

Recently, a growth strategy has been developed to bury APDs and thus suppress emerging APBs during the MBE growth of GaSb on (001) Si substrates [3,4]. It consists in using the residual miscut angle of the substrate (<0.5 °) to organize the Si surface and to grow GaSb in the step-flow mode. The anisotropic incorporation rate in III-V growth results in the Sb-polar phase progressively overgrowing the Ga-polar phase, resulting in APD burying (Fig. 1) [4]. In this work, we have adapted this strategy to the growth of APB-free GaSb layers on germanium substrates and Ge-on-Si templates.

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>Figure 1 APB burying mechanism during GaSb growth on group-IV elements</figcaption></figure>

## 3. RESULTS

The starting surface preparation is critical for growing APB-free GaSb films on group-IV substrates [4]. We found that APB-free GaSb layers can be achieved only when the Ge substrates are prepared by UHV annealing in a narrow temperature window. The Ge-on-Si and SiGe/Si templates, however, exhibit cross hatch patterns arising from strain relaxation during template growth, which prevents proper surface organization prior and during III-V growth. This, in turn, precludes APB annihilation. We found that this effect can be alleviated either by using slightly miscut (1° - 2°) Si substrates, or by smoothing the starting surface of on-axis Ge-on-Si templates by chemical-mechanical polishing. Under these conditions, APB-free GaSb layers can be achieved after 500 nm growth. They exhibit a rms roughness of 1.0 nm.

## 4. ACKNOWLEDGMENTS

Part of this work was sponsored by "France 2030" (Equipex EXTRA, ANR-11-EQPX-0016, Equipex+ HYBAT, ANR-21-ESRE-0026) and the ANR-LightUp project (ANR-19-CE24-0002).

## 5. REFERENCES

[1] R. Soref, Nature Photon 4, 495 (2010).

[2] G. Isella et al., Solid-State Electron. 48, 1317 (2004).

[3] C. Cornet et al., Phys. Rev. Mat. 4, 053401 (2020).

[4] M. Rio Calvo et al., Adv. Electron. Mat. 8, 2100777 (2022).
# PRINTED BYPASS DIODE FOR ORGANIC SOLAR MODULES

Ayoub El Masry¹, Gilles H. Roche¹, Corinne Alonso², Lionel Hirsch¹

¹ Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, IMS, UMR 5218, F-33400 Talence, France

² CNRS, LAAS, UPR8001, F-31400 Toulouse, France

* E-mail: ayoub.el-masry@u-bordeaux.fr

## ABSTRACT

The development of the next generation of printed solar photovoltaic modules requires extended research to improve the efficiency and the lifetime of the solar cells but also of the printed electrodes, bus bars and bypass diodes. These latter prevent the destruction of the solar cells in case of partial shading due to hotspots [1], the aim of this work is to fabricate a printed bypass diode.

## 1. INTRODUCTION

Printed organic solar panels represent a new technology necessitating the introduction of a printed bypass diode in the panel. Our objective is to print bypass diodes using abundant and nontoxic materials. Additionally, a high current density (i.e., 1 to 10 A/cm²) is necessary to allow the current of multiple strings of cells flow effectively.

Bypass diodes require a low reverse current and should not generate photocurrent. Metal oxide semiconductors have been selected because they fulfill the requirements. They are not toxic, abundant with large bandgap (they don't absorb visible light, and can be printed). Several materials have been selected and tested in a different configuration such as Schottky diode or p-n heterojunction.

## 2. DESCRIPTION OF THE STUDY

Tin dioxide "SnO₂" is the major material that will be presented. It is a naturally n-type semiconductor with a work function of 4.58 eV (measured by Kelvin probe). It can form a Schottky contact with a conductor with greater work function or a p-n heterojunction with a p-type semiconductor.

Schottky diode has been chosen due to its simple architecture, a commercialized SnO₂ nanoparticles 15% in H₂O colloidal dispersion by Alfa Aesar is spin coated on top of an ITO/Glass substrate at 1500 RPM for 1min forming a thickness of 150 nm measured by mechanical profilometer. After annealing for 1hr at 120°C PEDOT:PSS is spin coated on top of SnO₂ at 4000RPM for 1 min with a thickness of 50nm (profilometer), then 70 nm of silver ‘Ag’ evaporated to serve as the top electrode.

Schottky contact is expected between n-type SnO₂ and heavy doped p-type PEDOT:PSS with a work function of 4.94 eV (KP)

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>Figure 1: Device architecture (a) and sample photograph (b) (15x15 mm²) each device has an area of 10.3 mm² (4 devices in each sample)</figcaption></figure>

## 3. RESULTS

The I-V curve of the device showed a clear rectifying behavior in dark and under illumination with a difference between reverse and forward current of 2 orders of magnitude, more than 60 devices showed the same characteristics

<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>Figure 2: I-V curve in semilogarithmic scale (Linear in the inset)</figcaption></figure>

## 4. CONCLUSIONS

A printed Schottky diode has been fabricated using n-type SnO₂ and an organic heavily doped PEDOT:PSS that acts as a conductor. The device showed a rectifying behavior with no photocurrent which can be promising for bypass diode application.

## 4. REFERENCES

[1] Vieira, R. G., de Araújo, F. M. U., Dhimish, M., & Guerra, M. I. S. (2020). A comprehensive review on bypass diode application on photovoltaic modules. In *Energies* (Vol. 13, Issue 10). MDPI AG. https://doi.org/10.3390/en13102472
# PtSe₂: A PROMISING 2D MATERIAL FOR OPTOELECTRONICS

P. Legagneux, E. Desgué, D. Pommier, D. Jussey, L. Gangloff

THALES Research & Technology, 1. Av. Augustin Fresnel, Palaiseau, France

*pierre.legagneux@thalesgroup.com

## RESUME

Two-dimensional PtSe₂ exhibits outstanding intrinsic properties (high carrier mobility, tunable bandgap, broadband absorption, air stability) particularly adapted for optoelectronics. We optimized the synthesis of semimetallic 12-16 ML PtSe₂ by molecular beam epitaxy on sapphire substrates. We show that the study of both the width of the E_g and A₁g Raman peaks allows to efficiently monitor the in-plane and out-of-plane crystalline quality of the samples. In-depth structural analysis reveals the strong impact of the crystalline arrangement on the electrical conductivity. A new figure of merit is proposed demonstrating that the thinner the width of both the E_g and A₁g peaks, the higher the film conductivity. Finally, coplanar waveguides integrating a PtSe₂ channel are fabricated on a 2-inch sapphire substrate to demonstrate optoelectronic devices operating at 1.55 µm: photodetectors with a record bandwidth of 60 GHz and the first PtSe₂-based optoelectronic mixer with a bandwidth above 30 GHz.

## 1. INTRODUCTION

PtSe₂ exhibits high carrier mobility and infrared absorption [1] which are particularly suitable for high frequency optoelectronics at the 1.55 µm telecom wavelength. However, achieving high quality films is still challenging. We have studied PtSe₂ films grown by molecular beam epitaxy (MBE) to demonstrate high-frequency photodetectors and mixers. Optoelectronic mixers can mix high-frequency optical and electrical signals, enabling innovative applications such as radio-over-fiber communication systems, wideband radio frequency transceivers for radar systems, satellite payload.

## 2. DESCRIPTION DE L'ETUDE

We first measured the optical absorption at 1.55 µm and the conductivity of PtSe₂ films as a function of the number of monolayers (ML) and focused our studies on thick (12-16 MLs) semimetallic films that exhibit both good IR absorption and high conductivity. These are key parameters for demonstrating highly efficient optoelectronic mixers [2]. To this end, we have carried out in-depth studies on the growth of PtSe₂ on sapphire by MBE. To assess the crystalline quality of PtSe₂, we measure not only the width of the commonly used Eg peak, but also the width of the A₁g peak.

Furthermore, we performed X-ray diffraction and advanced transmission electron microscopy techniques [3] to study the crystalline structure of the different films.

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>Figure 1: 60 GHz bandwidth photodetection with a PtSe₂ based coplanar waveguide fabricated on a sapphire wafer.</figcaption></figure>

## 3. RESULTATS

We demonstrated PtSe₂ films with exceptionally low values of Eg peak width (3.6 cm⁻¹) as well as A₁g peak width (3.5 cm⁻¹) and with a record conductivity of 1.6 mS. Using X-ray diffraction and advanced transmission electron microscopy techniques, we have identified how the crystalline structure of the PtSe₂ films impact the Raman peak widths as well as their electrical conductivity. Based on these studies, we propose a new figure of merit showing that smaller are the E_g and A₁g peak widths, higher are the crystalline quality and the conductivity. A14ML PtSe₂ film was grown on a 2-inch sapphire wafer and we fabricated PtSe₂ based coplanar waveguides to demonstrate photodetectors at 1.55 µm with a record bandwidth of 60 GHz (Fig. 1) and the first PtSe₂-based optoelectronic mixer with 30GHz-bandwidth.

## 4. CONCLUSIONS

PtSe₂ is a highly promising 2D material for high frequency optoelectronics. Based on high crystalline quality films obtained by MBE, we demonstrated 1.55 µm 60 GHz bandwidth photodetectors and optoelectronic mixers with a bandwidth above 30 GHz.

## 4. REFERENCES

[1] M. Tharrault et al. https://arxiv.org/abs/2311.01847

[2] M. Tharrault et al., Adv. Electron. Mater., 2300260 (2023).

[3] D. Dosenovic et al, 2D Mater. 10 045024 (2023)
# VERS LA LOCALISATION BAS COUT D'HETEROEPITAXIE DE GAAS SUR SI

L. Dentz*¹, F. Hamouda¹, G. Hallais¹, L. Vincent¹, E. Herth¹, T. Baptiste¹, L. Leroy¹, L. Largeau¹, D. Bouchier¹, C. Renard¹

¹ C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France

* laurie.dentz@c2n.upsaclay.fr

## RESUME

Le travail présenté s'inscrit dans le cadre plus général d'un projet consistant à réaliser un démonstrateur de cellule tandem photovoltaïque à haute rendement de (Al)GaAs directement intégré sur un substrat de Si. Le (Al)GaAs correspondant au haut gap et le Si au bas gap de la cellule. L'objectif est aujourd'hui de proposer une technologie bas cout pour localiser la croissance des micro-cristaux de materiaux III-V afin d'atteindre une quasi-surface de III-V sur Si.

## 1. INTRODUCTION

L'intégration monolithique de (Al)GaAs sur silicium, et plus généralement de semi-conducteurs III-V, serait une voie très prometteuse pour la production de dispositifs multi-jonctions à haut rendement, adaptés aux applications photovoltaïques. Cependant, le fort désaccord de paramètres de maille entre le GaAs et le silicium entraîne des dislocations et des domaines d'antiphase. Dans des travaux précédents, nous avons démontré l'intégration parfaite de cristaux de GaAs de taille micrométrique sur silicium, sans défauts structurels ni contraintes, en utilisant la méthode de croissance épitaxiale latérale sur oxyde tunnel à partir de nanoouvertures (ELTOn) [1], dont le principe est illustré dans la Figure 1 et les résultats dans la Figure 2.

<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>Figure 1 : Méthode de croissance ELTOn.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>Figure 2 : Image par SEM : Cristaux de GaAs sur Si(111) résultants de croissance par méthode ELTOn; image STEM : Substrat Si(111), SiO₂ ultrafine, et GaAs sans défaut cristallin ; image EBIC montrant le passage du courant sous toute la surface du cristal de GaAs [1].</figcaption></figure>

## 2. LOCALISATION DE LA CROISSANCE EPITAXIALE DE GAAS SUR SI

Les premiers résultats ont consisté à ouvrir thermiquement une couche ultrafine de silice (<2nm) afin d'obtenir des ouvertures de Si (<50nm) aléatoirement dispersé sur la surface avant l'épitaxie du GaAs par CBE. Cependant, afin de produire un démonstrateur de cellule tandem photovoltaïque d'une surface significative, un objectif important est désormais d'étendre cette méthode épitaxiale à la structuration de surface pour intégrer les cristaux de manière régulière afin d'obtenir une couverture quasi-complète du substrat de Si, sans coalescence des microcristaux de GaAs afin de maintenir leurs très bonnes qualités cristallines et leurs propriétés électroniques.

Les micro-cristaux de GaAs adoptant une forme hexagonale sur la silice, notre objectif sera de les organiser en un réseau hexagonal afin d'optimiser la surface de matériaux III-V et ainsi maximiser le rendement des cellules solaires proposées. Pour ce faire deux méthodes de localisation sont explorées : La lithographie UV par nano-impression de timbre souple (Soft UV-NIL, cf. Figure 3a) et la lithographie par nanosphères (NSL, cf. Figure 3b).

<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>Figure 3 : a) Lithographie UV par nano-impression de timbre souple ; b) Lithographie par nanosphères.</figcaption></figure>
### 3. RESULTATS INITIAUX

Les premiers résultats montrent que les deux méthodes de lithographie permettent une organisation contrôlée des cristaux de GaAs sur la surface de Si. Avec la méthode de lithographie UV par nano-impression de timbre souple (Soft UV-NIL), nous avons réussi à obtenir une distribution en réseau carré de la croissance des micro-cristaux de GaAs sur silicium (Figure 4c).

La lithographie par nanosphères (NSL) a également montré des résultats prometteurs (Figure 5c). Cette méthode, utilisant des nanosphères qui s'auto-organisent en réseau hexagonal permet d'obtenir une croissance de GaAs principalement sélective.

<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>Figure 4 : a) Moule pour la fabrication de timbre souple ; b) Impression de Ge ; c) Croissance de GaAs par méthode Soft UV-NIL.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>Figure 4 : a) Dépôt de nanosphères de polystyrene sur Si ; b) Impression de Ge ; c) Croissance de GaAs par méthode NSL.</figcaption></figure>

Cependant, nos deux méthodes présentent des défauts de croissance, nécessitant des optimisations supplémentaires pour améliorer l'intégration des cristaux de GaAs au silicium ainsi que leur qualité. En dehors des zones d'impression, une croissance aléatoire s'est également produite, suggérant que la méthode utilisée pour ouvrir la silice localement a accidentellement créé des ouvertures non souhaitées.

Ces résultats préliminaires démontrent la faisabilité de ces méthodes pour la localisation de la croissance des cristaux de GaAs, ouvrant la voie à la réalisation de cellules tandem GaAs/Si efficaces. Cependant, un travail important reste encore à réaliser pour garantir une uniformité et une qualité optimale des µ-cristaux, réduisant ainsi les imperfections et maximisant les performances des dispositifs photovoltaïques.

### 4. CONCLUSIONS

Les avancées réalisées dans ce projet montrent que la méthode de croissance ELTOn, combinée à des techniques de lithographie alternative à bas coût, est une approche prometteuse pour l'intégration monolithique de GaAs sur Si. Les deux méthodes de lithographie explorées, Soft UV-NIL et NSL sont de bons candidats pour localiser de manière efficace les cristaux de GaAs en

réseau hexagonal, maximisant ainsi le recouvrement de la surface de GaAs.

Le défi à venir est l'optimisation de la méthode d'ouverture de la silice par lithographie pour réduire les défauts de croissance et améliorer la qualité cristalline. De plus, il sera crucial de tester ces approches sur des surfaces plus grandes pour valider leur applicabilité à une échelle industrielle.

En conclusion, ces travaux représentent une étape significative vers la réalisation de cellules tandem AlGaAs/Si à haut rendement pour des applications photovoltaïques, offrant une alternative compétitive et durable aux technologies actuelles.

### 5. REMERCIEMENTS

Cette étude est financée par l'ANR dans le cadre du projet « HELLO-PV », et les étapes technologiques ont été réalisées dans le reseau RENATECH.

### 6. REFERENCES

[1] Renard, C., Molière, T., Cherkashin, N., Alvarez, J., Vincent, L., Jaffré, A., Hallais, G., Connolly, J. P., Mencaraglia, D., & Bouchier, D. (2016). High current density GaAs/Si rectifying heterojunction by defect free Epitaxial Lateral overgrowth on Tunnel Oxide from nano-seed. Scientific Reports, 6(1). https://doi.org/10.1038/srep25328
Posters :

Matériaux et nanostructures,
Caractérisation structurale, optique et
électrique des semiconducteurs
# FINE DESCRIPTION OF GA-FREE TYPE-II SUPERLATTICE FOR INFRARED DETECTOR THROUGH COMBINED STRUCTURAL AND SIMULATION ANALYSIS

Matthias Tornay<sup>1, 2,*</sup>, Jean-Philippe Perez<sup>1</sup>, Konstantinos Pantzas<sup>3</sup>, Gilles Patriarche<sup>3</sup>, Nicolas Péré-Laperne<sup>2</sup>, Philippe Christol<sup>1</sup>

<sup>1</sup> IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France

<sup>2</sup> LYNRED, BP 21, Veurey-Voroize, France

<sup>3</sup> C2N, Université Paris-Saclay, CNRS, Palaiseau, France

*E-mail: matthias.tornay@umontpellier.fr

## ABSTRACT

In recent years, “Ga-free” InAs/InAsSb Type-II Superlattices (T2SL) have become a commonly used material to build the absorption zone of high-performance and high-temperature infrared photodetector arrays. Fabricated by molecular beam epitaxy on GaSb substrate, they can be designed to achieve mid-wave infrared to very-long wave infrared cut-off wavelengths. However, they optoelectronics properties, and especially the transport mechanisms of the carriers is yet to be fully understood. In this work, we present the advanced structural characterizations of several structures and attempt to model them finely by taking into account the wide alloy disorder observed experimentally through transmission electron microscopy (TEM) methods.

## 1. INTRODUCTION

High performance cooled photodetectors operating in the mid-wave infrared (MWIR, 3-5 µm) and in the long-wave infrared (LWIR, 8-14 µm) atmospheric spectral window are used in a wide variety of applications in imaging and sensing. To keep high signal to noise ratio, it is necessary

<figure><img src="image_70.png" /></figure>

Figure 1: Schematic example of the energy band diagram obtained for an InAs/InAs<sub>(1-x)</sub>Sb<sub>x</sub> superlattice. The band alignment is a type-IIb. Here, the first miniband of the electrons (E1), the heavy-holes (HH1) and the light-holes (LH1) are shown. The optical bandgap is almost solely dependent on the Sb content (x) and the period length (p).

<figure><img src="image_71.png" /></figure>

Figure 2: Example of a high-resolution [100] HAADF image obtained on a long-period sample. The inset shows a focus on an InAs layer.

to reduce the operating temperature of the IR detector system to cryogenic temperatures. Enhancing this operation temperature without penalizing the electro-optical and electrical performances of detectors is currently one of the main being challenges investigated by the IR detector community.

The InAs/InAsSb T2SL is a very peculiar periodic quantum wells structure in which the layers are coupled and lead to the formation of quasi-minibands of energies for the electrons and the degenerated holes, as shown in Figure 1. It is predicted to have a type-IIb band alignment and a very strong confinement of holes in the growth direction [1]. This transport anisotropy is expected to reduce the overall quantum efficiency and impede the carrier transport. It has also been identified that the antimony of the InAsSb layer has the tendency to segregate into the InAs layer and to blue-shift the optical bandgap. Surprisingly, state-of-the-art T2SL MWIR detector devices are now reporting diffusion lengths of several microns and quantum efficiencies over than 50 % (with no antireflection coating and single pass) [2, 3]. However, to go further in improving performance, there is a need to better understand the material properties of this T2SL quantum structure used for IR detection.
## 2. METHODS

In this work, we report on the growing by molecular beam epitaxy (MBE) and the structural characterization of several “Ga-free” InAs/InAsSb T2SL structures, with different targeted antimony content and period lengths. The samples are grown and lattice-matched on 2-inch N-type (Te) GaSb (100) substrates and characterized through standard atomic force microscopy (AFM) and high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD). Finally, a complete scanning-TEM analysis workflow is performed to assess the broadening of the InAsSb interfaces, the antimony distribution along the structure and the strain profiles. An example of High-angle annular dark-field (HAADF) image obtained is shown in Figure 2.

The experimental data are then injected in numerical simulations to compute as realistically as possible the x-ray diffraction patterns and the superlattices bandgaps. These results are then discussed against the ideal InAs/InAsSb profiles in terms of absorption coefficient, wave function overlaps and valence band offsets.

## 3. RESULTS

Figure 3 shows an example of the antimony segregation profiles that were obtained through energy dispersive spectroscopy (EDX) mappings and linear scannings, for two long-period samples (namely, LP1 and LP2). The composition profiles differ greatly from the ideal InAs/InAs<sub>(1-x)</sub>Sb<sub>(x)</sub> that were targeted during the growth and that fitted the XRD simulations, as shown in Figure 4 for sample LP1.

<figure><img src="image_72.png" /></figure>

Figure 3: Example of two antimony segregation profiles obtained with long-period samples. The red and green rectangles respectively represent the targeted width and geometry content of the InAsSb layers for LP1 and LP2.

The mismatch is close to 0 ppm and it appears by simulation that even for large interface broadenings, the satellite peaks do not widen, which implies a pseudo-compensation of the strain along each period. Every

samples show a similar rate/decay behavior, despite their difference in period lengths, antimony composition or even short growth stops.

<figure><img src="image_73.png" /></figure>

Figure 4: Comparison between the XRD experimental data for a long-period sample (black) and the simulation of several antimony segregation profile: red (no segregation) to purple.

In such material systems, we observe that the interfaces are almost fully graded and that the triple-axis XRD measurements can then not be considered a suitable solution to determine the InAsSb antimony composition profile.

## 4. CONCLUSIONS

Although being widely used to deduce the composition of the InAsSb layer and then the InAs/InAsSb band edge profiles, the triple-axis XRD measurements appear to not be suitable enough to describe the distribution of Sb along the period. The obtained composition profiles show that these superlattices have to be considered as fully graded structures. We will discuss the considerable modifications of the band offsets, carrier confinement and miniband widths that it suggests in this material, as it paves the way to designs that can use the segregation mechanisms as a feature to tune the properties of superlattice-based optoelectronic devices.

## 4. REFERENCES

[1] D. Lackner et al. J. Appl. Phys. 111, 034507 (2012)

[2] D. Z. Ting et al. Appl. Phys. Lett. 113, 021101 (2018)

[3] M. Bouschet et al. Appl. Sci. 12, 10358 (2022)
SONOCHEMICALLY SYNTHESIZED OF ZINC SILICATE CERAMIC
NANOPARTICLES FOR ELECTRONIC DEVICES

Bouatrous Mehieddine *¹, Boulkhessaim Salim¹, Fekrache Abdelhak², Ferhat Bouzerara³, Quentin Bizot⁴

¹ Laboratoire d'Anticorrosion, Matériaux et Environnement et Structure ; Université 20 Aout 1955
Skikda ; Algérie

²Laboratoire d'ingénierie des matériaux et énergie ; Université 20 Aout 1955 Skikda ; Algérie

³Laboratory of Condensed Matter Physics and Nanomaterials, M-S-B University, Jijel, Algeria

⁴Laboratory of Inorganic Materials Chemistry (CMI), University of Namur, 5000 Namur, Belgium

*E-mail: m.bouatrous@univ-skikda.dz

RESUME

Willemite, an inorganic semiconductor material[1], is
widely used in optoelectronic and electronic devices due
to its unique properties[4]. It has attracted significant
attention as a promising candidate for optoelectronic
devices and gas sensor applications[2]. This research
aims to develop a sonochemical synthesis technique to
produce high-purity zinc silicate (willemite)
nanopowders. Using a modified sonochemistry approach,
zinc silicate hydrate nanoparticles were synthesized from
zinc salts and waterglass under controlled pH conditions
(pH 11–11.5) and Argon gas flow[3]. The resulting
precipitate underwent heat treatment at various
temperatures. Advanced characterization techniques,
including TGA/DSC, X-ray diffraction (XRD), scanning
electron microscopy (SEM), transmission electron
microscopy (TEM), dispersive X-ray spectrometry
(EDX), and N₂ gas adsorption, were employed to analyze
phase transformations, morphological attributes,
microstructures, and chemical composition.

The findings revealed the formation of a well-
crystalline willemite monophase at 890 °C, as confirmed
by XRD analysis. The synthesized material exhibited
high homogeneity and exceptional purity, as evidenced
by EDX elemental mapping. Microscopic evaluations
(SEM, TEM) validated its nanoscale characteristics.
Importantly, this synthesis technique employs moderate
temperatures, enhancing its cost-effectiveness for large-
scale production. The resultant zinc silicate nanopowders
hold potential for various industrial applications,
including ceramics, paints, plastics, biomaterials, and
composites, due to their high purity and homogeneity.

Although willemite is not conventionally used as a
semiconductor material like silicon or gallium arsenide,
its luminescent properties and potential for optoelectronic
applications [2] position it as a material of interest in
niche areas of electronics and photonics.

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Graphical abstract</figcaption></figure>

REFERENCES

[1] Alibe, I.M., Matori, K.A., Sidek, H.A.A. et al. Effects of polyvinylpyrrolidone on structural and optical properties of willemite semiconductor nanoparticles by polymer thermal treatment method. J Therm Anal Calorim 136, 2249–2268 (2019). https://doi.org/10.1007/s10973-018-7874-7

[2] Romanov SG, Fokin AV, De La Rue RM. Eu3+ emission in an anisotropic photonic band gap environment. Appl Phys Lett. 2000;76:1656–8.

[3] Bouatrous, M., Bouzerara, F. & Bizot, Q. Sonochemistry Synthesis of Zinc Silicate Ceramic Nanoparticles and Their Characterization. J Inorg Organomet Polym 34, 1931–1943 (2024). https://doi.org/10.1007/s10904-023-02938-9

[4] Zaid MH, Matori KA, Ab Aziz SH, Kamari HM, Wahab ZA, Effendy N, Alibe IM. Comprehensive study on compositional dependence of optical band gap in zinc soda lime silica glass system for optoelectronic applications. J Non Cryst Solids. 2016;449:107–12.
# PHOTOCONDUCTIVE GAIN CHARACTERIZATION OF STRIPE ANTENNA INFRARED DETECTORS FROM NOISE MEASUREMENTS

Zixin Li¹, Jihye Baik¹, Richard Pateau¹, Djamal Gacemi¹, Angela Vasanelli¹, Carlo Sirtori¹

¹ Laboratoire de physique de l'Ecole Normale Supérieure, ENS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité, 75005 Paris, France

* E-mail: zixin.li@ens.fr

## ABSTRACT

Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP) coupled with metamaterial resonators have been shown to operate up to room temperature with a high responsivity. Recently, InP-based QWIP devices with responsivity exceeding 1 A/W were fabricated. In order to explain the high responsivity, we conducted noise measurements to measure the photoconductive gain of our device.

## 1. INTRODUCTION

Quantum Well Infrared Photodetectors are the detectors that convert photons into conducting electrons by intersubband transition (ISB) [1]. QWIPs coupled with metamaterial resonators enabled a responsivity close to 0.2 A/W at room temperature [2], which made them a promising candidate for infrared detection. The high responsivity of metamaterial QWIPs is partly due to their optical cavity modes, which are coupled with the intersubband transitions, resulting in high absorption quantum efficiency. Mesa devices are usually employed as references to infer the impact of the coupling between the intersubband transition and the cavity mode in the QWIP characteristics. Recently, InP QWIPs embedded in arrays of stripe resonators were fabricated [3]. They showed a room temperature responsivity of up to 1.5 A/W, two orders of magnitude higher than the responsivity obtained from a mesa device with the same absorbing region. In order to explain the high responsivity observed in metamaterial devices, it is necessary to concisely separate the contribution of the photoconductive gain and the absorption quantum efficiency. This can be achieved by noise measurements from which the gain value can be extracted [4].

## 2. DESCRIPTION OF THE EXPERIMENT

The main contributions to dark current noise in QWIPs are Johnson noise and shot noise. The two types of noise could be unified by a model which considers the thermal noise as a shot noise induced by diffusion currents [5][6]. Since these two noises are white noises, it is possible to separate them from other noises that are dependent on frequency, such as the 1/f noise. The power spectral density (PSD) of the shot noise is modelled as

$$S_I = 4eg|I|$$

where e is the electron charge, g is the gain, and I is the dark current. The aim of our experiment is to extract the value of the gain from the measurement of the power spectral density.

In our experiment, the QWIP devices are cryogenically cooled at 80K. The devices in the cryostats are connected to the trans-impedance amplifier femto DLPCA-200. The amplified noises are measured by a signal analyzer, HP 89441A.

## 3. RESULTATS

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>Figure 1: Power density spectrum of the noises. The temperature is 140K. Amplifier gain is set to be 10MΩ.</figcaption></figure>

The measured PSD is shown in Figure 1. When there is no bias applied to the QWIP, in the high frequency range (at frequencies higher than 10 kHz), there are noises induced by the BNC cable. In the other range of frequency, the spectrum is flat and the PSD amplitude corresponds to the one obtained by using the analytical model of the Johnson noise. If a large bias (100mV) is applied, the spectrum is overwhelmed by 1/f noise. If the applied bias is sufficiently low, it is possible to maintain a flat plateau in the spectrum, as shown by the spectrum with 35mV bias, where a plateau is found in the 1kHz to 10 kHz range. The increased amplitude of the plateau compared with 0V corresponds to the shot noise. By changing the temperature and bias, we can extract the value of the photoconductive gain at different temperatures.
## 4. CONCLUSIONS

We conducted noise measurements of InP-based QWIP devices and demonstrated the possibility of extracting the photoconductive gain value. Using the measured responsivity, we can extract the absorption quantum efficiency and separate the different contributions to the high responsivity of the InP-based QWIPs coupled with metamaterial resonators. Our results provide a deepened understanding of the high responsivity, which could be useful to the future design of high-performance infrared detectors.

## 4. REFERENCES

[1] Levine, B. F., et al. "A new 10 µm infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices." Picosecond Electronics and Optoelectronics. Optica Publishing Group, 1987.

[2] Palaferri, Daniele, et al. "Room-temperature nine-µm-wavelength photodetectors and GHz-frequency heterodyne receivers." Nature 556.7699 (2018): 85-88.

[3] Baik, Jihye, et al. Paper in preparation.

[4] Palaferri, Daniele, et al. "Noise characterization of patch antenna THz photodetectors." Applied physics letters 113.16 (2018).

[5] Delga, A., et al. "Johnson and shot noises in intersubband detectors." Applied Physics Letters 102.16 (2013).

[6] Van der Ziel, Aldert. "Noise. Sources, characterization, measurement." Prentice-Hall Information and System Sciences Series (1970).
Posters :

Micro et nanophotonique, cristaux
photoniques, métamatériaux,
plasmonique
# Micro-fabrication Additive 3D de Structures Métalliques pour Dispositifs sub-Terahertz avec Résolution Micronique

Cyril GUINES, Hiba LAHLIMI ALAMI, Nicolas DELHOTE, Aurélien PERIGAUD

XLIM UMR 7252, Université de Limoges/CNRS, 123 Avenue Albert Thomas, 87060 Limoges,
France

cyril.guines@xlim.fr

## RESUME

Cet article présente les développements technologiques en cours au laboratoire XLIM basés sur le procédé de micro-impression métallique 3D électrolytique et la machine CERES de la société Exaddon. En effet, nous présentons cet équipement et ses avantages clés en termes de précision, de dimensions et de capacité à imprimer des formes complexes volumiques. Nos premières expériences avec la machine nous ont permis de réaliser différents motifs tels que des piliers, des murs, des ponts et des boites dont le processus d'impression se base sur l'empilement structurés en 3D de voxels (pixels 3D) de cuivre ouvrant des perspectives intéressantes pour les technologies très hautes fréquences, les interconnexions ou encore de nouvelles approches de micro-packaging.

## 1. INTRODUCTION

L'évolution constante du panorama technologique amène les nouveaux systèmes RF à s'ouvrir vers des fréquences de plus en plus élevées pouvant dépasser les 200 GHz. En effet ces nouvelles bandes de fréquences jouent un rôle clé dans le déploiement de technologies de communication avancées telles que la 5G et la 6G, supportant des transferts de données volumineux.

Pour répondre aux challenges de la montée en fréquence, la miniaturisation des chaines de communication est une des voies explorées, et les techniques de fabrication additive ont une carte à jouer.

La technologie de micro-impression 3D métallique mise en œuvre dans cette étude s'avère être une solution technologique pertinente pour proposer des solutions et répondre à certaines exigences.

Cette communication dans sa première partie se concentre sur la présentation de la machine CERES, décrivant le principe d'opération et mettant en avant les points forts de cette technologie.

Ensuite des premières réalisations de structures seront illustrées mettant en valeur les premiers procédés en développement et diverses structures telles que des piliers, des ponts (filaires) suspendus, des murs ou encore des micro boitiers.

## 2. LE SYSTEME D'IMPRESSION CERES :

### 2.a. Présentation de la machine CERES :

La machine d'impression 3D CERES commercialisée par la société Exaddon, permet la fabrication de structures

métalliques très complexes avec une résolution sub-micrométrique [1].

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>Figure 1. Le système d'impression 3D CERES</figcaption></figure>

La figure 1 illustre l'équipement CERES, avec son contrôleur qui pilote le système et gère l'impression. Il est basé sur une pointe AFM ionique équipée d'un canal microfluidique permettant à la fois le dépôt métallique et la cartographie de surface. Cette dernière opère et se déplace dans la chambre d'impression grâce à des mécanismes micro mécaniques précis. Un système de gestion de flux micro-fluidique ajuste finement le flux d'encre métallique électrolytique, facilitant l'électrodéposition précisément à l'endroit souhaité pour créer des objets métalliques détaillés à l'échelle microscopique. En termes de matériau structurel, le cuivre est ici privilégié pour sa compatibilité avec les applications électroniques visées au laboratoire, mais d'autres matériaux conducteurs comme l'or, le nickel, l'argent, et le platine sont imprimables avec cet équipement. Cette polyvalence permet à la machine de s'adapter à une large gamme d'applications, en particulier dans le domaine des hyperfréquences, en offrant à la fois la précision nécessaire pour le dépôt de matériaux en 3D.

### 2.b. Principe de fonctionnement

Le processus d'impression repose sur la formation de voxels, pixels volumiques métalliques empilés les uns avec les autres pour former une géométrie souhaitée, sans nécessiter de supports supplémentaires. Ces voxels sont formés à partir d'une solution ionique, solution de sulfate de cuivre (CuSO₄) dans un mélange d'acide (H₂SO₄ + HCl), dont les ions sont agglomérés sous forme de métal solide (Figure 2) par procédé électrolytique sous l'effet d'un potentiel appliqué dans la chambre d'impression grâce à une électrode immergée dédiée. La réaction chimique ainsi induite est la suivante :

$$ \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) + 2\mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Cu}(\mathrm{s}) \quad [2] $$
L'injection de l'encre ionique à l'intérieur d'un microcanal implémentée sur la pointe AFM d'impression est contrôlée par un système microfluidique, régulant la pression avec une précision inférieure à 1 mbar, permettant un flux précis de l'encre à un débit inférieur à un picolitre par seconde. Le contrôle en temps réel de l'impression est basé sur la détection de la bonne impression du voxel par retour de force sur la pointe AFM au moyen d'un signal laser détecté par une photodiode comme l'illustre la figure 2.

Cependant, l'équipement possède certaines limites (capacité du réservoir de l'encre, nombre de voxels imprimables, dépôt secondaire) qui demande une expertise approfondie pour concevoir toutes les stratégies d'impression.

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>**Figure 2.** Représentation schématique du processus d'impression des voxels. [3]</figcaption></figure>

### 3. PROCEVES EN DEVELOPPEMENT ET PREMIERES REALISATIONS DE STRUCTURES 3D

#### 3.a. Les piliers :

Pour maitriser les mécanismes et les paramètres d'impression à la micro-impression 3D, différentes structures de base ont été réalisées. En effet, des campagnes d'impressions de piliers doivent être réalisées afin de juger de l'impact de la pression et de la hauteur sur leurs dimensions. L'analyse au microscope électronique à balayage permet de mettre ici en évidence la qualité de surface et la précision dimensionnelles des structures (figure 3) et de confirmer les rapports dimensionnels attendus.

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>**Figure 3.** Impressions de piliers en fonction des paramètres imposés</figcaption></figure>

#### 3.b. Micro boitiers et Micro connectiques :

D'autres motifs ont été testés pour mettre en évidence la faisabilité de réalisations de structures de micro-packaging (micro boitiers creux) (figure 4) ou d'interconnexions (connectiques filaires suspendues, ponts...) (figure 5) et appréhender les paramètres

d'impression à optimiser pour leur construction. L'équipement permet également d'imprimer des structures sur des motifs existants en utilisant un mode d'alignement par pseudo mapping AFM (résolution < 1µm) et ou encore l'alignement optique (résolution 4µm).

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>**Figure 4.** Micro boitier vide (a) et décapoté (b)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>**Figure 5.** (a) Visualisation logicielle du fichier de mapping pour le positionnement des structures à imprimer sur motifs existants, (b) Résultat d'impression observée au MEB</figcaption></figure>

### 4. CONCLUSION

Ces travaux de développement technologique montre le potentiel de cette imprimante de micro-fabrication additive métallique pour imprimer des microstructures 3D avec des très hautes résolutions. Ils ouvrent des perspectives intéressantes dans divers domaines et notamment pour les technologies hautes fréquences. Néanmoins, ces nouvelles technologies exigent une expertise importante pour définir les stratégies d'impression les plus pertinentes et efficientes qui nécessitent encore un développement approfondi en cours à XLIM.

### 5. REMERCIEMENTS

Ce travail a bénéficié d'une aide de l'État, gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre du Programme d'Investissements d'Avenir portant la référence ANR-21-ESRE-0012, et de région Nouvelle Aquitaine (AAPPF202-2021-1727610). Les expériences ont été réalisées dans le cadre de la plateforme PLATINOM soutenue par la fondation européenne de développement régional et le gouvernement français avec la région Nouvelle Aquitaine (FEDER-PILIM 2015-2020).

### 4. REFERENCES

[1] https://www.exaddon.com/

[2] Ercolano, G. ; van Nisselroy, C. ; Merle, T. ; Vörös, J. ; Momotenko, D. ; Koelmans, W. ; Zambelli, T. « Additive Manufacturing of Sub-Micron to Sub-mm Metal Structures with Hollow AFM Cantilevers » 2019

[3] Giorgio Ercolano, Tomaso Zambelli, Cathelijn van Nisselroy, Dmitry Momotenko, János Vörös, Thibaut Merle, and Wabe W. Koelmans « Multiscale Additive Manufacturing of Metal Microstructures » Adv. Eng. Mater. 2019
# Multisubband plasmons in a doped single InAs/GaSb quantum well

S. HAJJI¹*, W. J. PASEK², S.HURAND³, L. CERUTTI¹, F. GONZALEZ-POSADA¹, T. TALIERCIO¹

¹IES, Univ Montpellier, CNRS, Montpellier, France

²Institute of Applied Physics, Mohammed VI Polytechnic University, Lot 660, Hay Moulay Rachid Ben Guerir 43150, Morocco

³Institut Pprime, Université de Poitiers 11 Boulevard Marie et Pierre Curie, Chasseneuil du Poitou 86360, France

*E-mail: soufiane.hajji@umontpellier.fr

## SUMMARY

In this work, we demonstrate experimentally and theoretically that in the case of a doped single InAs/GaSb quantum well, electrons behave collectively, giving rise to a multisubband plasmons.

## 1. INTRODUCTION

In highly doped quantum wells (QWs), electrons are distributed between several energy states from different subbands. This leads to the possibility of multiple simultaneous intersub-band transitions (ISBTs) [1]. In the presence of Coulomb coupling between these ISBTs, all individual transitions are grouped and concentrated into a single collective excitation: the multi-sub-band plasmon (MSP). Collective effect of electrons has already been demonstrated in type I and II QW heterostructures [2,3]. In this work, we propose to investigate the collective effect in the highly doped type III InAs/GaSb quantum well using semiclassical model, ellipsometry and attenuated total reflection (ATR).

## 2. Theoretical description

We consider a single quantum well of InAs/GaSb grown by solid source molecular beam epitaxy on a GaSb substrate. The doping level of the InAs is 1.02 10¹⁹cm⁻³ and the thicknesses is 9 nm, measured using X-ray. The nonlocal susceptibility tensor of the QW can be calculated in the context of the effective mass [4,5]. We suppose the z axis oriented along the growth direction. the z component of the nonlocal susceptibility tensor reads as

$$ \chi_{zz}(w, q, z, z') = \sum_{\alpha} \chi_{\alpha}(w, q, z, z') \xi_{\alpha}(z) \xi_{\alpha}(z') $$

Where α indicates the intersubband transition between subbands n and m. χ_α is the single particle

susceptibility for transition α. The current distribution ξ_α(z) is defined as

$$ \xi_{\alpha}(z) = \psi_{n}(z) \partial_{z} \psi_{m}(z) - \partial_{z} \psi_{n}(z) \psi_{m}(z) $$

Where ψ_n(z) are the quantum states obtained by solving the Schrödinger-Poisson equation. The susceptibility χ_{zz}(z) can be written in the following form [3]

$$ \chi_{zz}(\omega) = \sum_{j} \frac{\beta_{j}^{2}}{\omega^{2} - (\Omega_{j}^{2} - \frac{i\gamma_{j}}{2})^{2}} $$

Where β_j² and Ω_j² are defined in terms of eigenvectors and eigenvalues of coupling matrix M

$$ M_{\alpha\alpha'} = \omega_{\alpha}^{2}\delta_{\alpha\alpha'} + \omega_{P,\alpha}\omega_{P,\alpha'} \frac{I_{\alpha\alpha'}}{\sqrt{I_{\alpha\alpha'}I_{\alpha\alpha}}} $$

Figures (1) show the dielectric function of the sample.

<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>Figure 1: Imaginary part of the dielectric function with and without electrons interaction.</figcaption></figure>

The blue curve shows the optical response in the absence of interactions between electrons $I_{\alpha\alpha'} = 0$. We observe that there are three peaks corresponding to the three possible intersubband transitions. When
considering only the interaction between electrons
within the same band, we obtain what is known as an
intersubband plasmon, as shown by the blue curve
When considering the interaction between electrons
that are in different bands $I_{\alpha\alpha} \neq 0$, we observe that
there is a single dominant peak that encompasses all
the system's energy, known as the multisubband
plasmon, as illustrated by the red curve.

3. EXPERIMENTAL RESULTS

To validate the theoretical model, we characterize the
sample using two techniques. The first is ellipsometry
[6], which allows us to calculate the optical functions
from measurements of polarization changes. We
have modeled the data using the Lorentz model, and
the obtained results are illustrated in Figure (2). The
green curve represents the refractive index, while the
red curve represents the extinction coefficient, which
is proportional to the imaginary part of the dielectric
constant. We can conclude that the model and
ellipsometry provide equivalent spectral response,
with a 5% uncertainty due to inaccuracies of the
QW's width and carriers density.

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Figure 2: Index of Refraction and Extinction coefficient measured using ellipsometry.</figcaption></figure>

The second method used to validate the model is
attenuated total reflection (ATR) [7]. The advantage
of this method is that it provides direct access to the
spectral response without the need for modeling,
unlikte ellipsometry. Figure (3) shows the reflectance

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Figure 3: Attenuated Total Reflexion spectrum of the sample.</figcaption></figure>

The ATR proves the presence of the MSP at
$1661 \text{cm}^{-1}$, which had been confirmed by
ellipsometry.

4. CONCLUSION

In this work, we modeled the optical response of a
doped single InAs/GaSb quantum well taking into
account the coulomb coupling between electrons,
which leads to the formation of multisubband
plasmons. The theoretical results were verified and
confirmed by ellipsometry and ATR experiments.

REFERENCES

[1] Li, S. S., & Su, Y. K. (Eds.). (2013). *Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and Devices*. Springer Science & Business Media

[2] Montes Bajo, M., Chauveau, J. M., Vasanelli, A., Delteil, A., Todorov, Y., Sirtori, C., & Hierro, A. (2023). Perspectives and opportunities with multisubband plasmonics. *Journal of Applied Physics*, 134(1)

[3] Alpeggiani, F., & Andreani, L. C. (2014). Semiclassical theory multisubband plasmons: Nonlocal electrodynamics and radiative effects. *Physical Review B*, 90(11), 115311

[4] Wendler, L., & Kändler, E. (1993). Intra-and Intersubband Plasmon-Polaritons in Semiconductor Quantum Wells. *physica status solidi* (b), 177(1),967.

[5] Feibelman, P. J. (1975). Microscopic calculation of electromagnetic fields in refraction at a jellium-vacuum interface. Physical Review B, 12(4), 1319.

[6] Fujiwara, H. (2007). Spectroscopic ellipsometry: principlesand applications. John Wiley & Sons.

[7] Ramer, G., & Lendl, B. (2006). Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Encyclopedia of Analytical chemistry: applications, theory and instrumentation.
Posters :

Micro-nano-technologies et systèmes
# ETUDE DE LA FORME DE LA CAVITE SUR LES PARAMETRES DES ACCELEROMETRES THERMIQUES

Toulmé Valentin<fnref n="1" />, Ben-Salk Soukaina<fnref n="2" />, Faucher Marc³, Combette Philippe⁴, Giani Alain⁵

* E-mail : valentin.toulme@umontpellier.fr

## RESUME

Les accéléromètres thermiques à convection (ATC) sont développés dans l'objectif de réaliser des mesures à haute intensité, ce que ne peuvent pas faire les accéléromètres classiques du fait de la présence de masse sismique dans leur conception. Le sujet présenté ici porte sur l'étude de l'impacte de la forme de la cavité sur les paramètres des ATC (plage de mesure et temps de réponse). Il y est présenté les différentes simulation CFD réalisées ainsi que les résultats obtenus.

## 1. INTRODUCTION

Depuis plusieurs années, différentes technologies d'accéléromètres ont été développées pour la mesure de vibration et de choc. Ces capteurs sont grandement utilisés dans l'aviation, l'industrie ou encore l'automobile, comme par exemple dans le cas des airbag, des crash-tests ou pour des applications de défense [1]. Les principes de fonctionnement les plus utilisés sont basés sur les effets piézoélectriques, ou piézorésistifs, ou encore, sur les changements capacitifs. Cependant, la présence de masse sismique dans ces technologies présentent quelques désavantages, comme une plage de mesure réduite du fait de leur fragilité, et des coûts de fabrication important. Les accéléromètres thermiques, développé depuis plusieurs années, sont une bonne alternative pour résoudre les problèmes précédemment cités. La technologie de ces capteurs est basée sur la convection thermique libre, l'absence de masse sismique leur permet d'avoir une grande plage de mesure de choc, allant jusqu'à des dizaines ou des milliers de g.

Ces capteurs sont basés sur la convection thermique libre dans une cavité remplie de gaz. Ils sont composés d'un fil chauffant, entouré de part et d'autre de deux fils permettant de mesurer la température, le tout dans une cavité fermée (figure 1a). Lorsque le fil chauffant est alimenté, celui-ci va créer un gradient thermique symétrique autour de lui (Figure 1b). Sous l'effet d'une accélération Γ, le gradient de thermique va se déformer et ainsi crée une différence de température δT entre les deux détecteurs, proportionnel à l'accélération subit. Ainsi, la sensibilité du capteur équivaut à $S = δT/Γ (°C/g)$ [1].

## 2. DESCRIPTION DE L'ETUDE

Afin de déterminer la plage de sensibilité des capteurs nous avons réalisé des simulations CFD avec le logiciel Fluent®. Les simulations ont été réalisées pour

quatre modèles. Le premier est le plus simple des quatre, il est composé de deux cercles concentriques qui représentent le fil chaud ainsi que la cavité. Les modèles 2 et 3 sont composés d'une cavité hexagonale (forme réel de la cavité), l'un avec la présence des détecteurs (modèle 2), et l'autre sans les détecteurs (modèle 3) (Figure 1c). Ainsi, il est possible avec ces deux derniers modèles, de voir l'influence des détecteurs sur la sensibilité des capteurs. Le quatrième modèle est une modélisation 3D de la cavité avec les fils de détection.

Des simulations CFD sur le modèles cercles concentriques ont déjà été réalisées dans une précédente thèse [2]. La plage d'accélération était de 1g à 100 000g et les tailles de cavité entre 1600 et 200 µm. De nouvelles simulations ont été faites avec des accélérations allant jusqu'à 1 000 000g et des tailles de cavité inférieures à 75µm.

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>Figure 1 : (a) Structure d'un accéléromètre thermique à convection. (b) Gradient thermique avec et sans accélération. (c) Modélisation des deux formes utilisées, cercles concentriques et forme hexagonale (2D), ainsi que la modélisation 3D de la cavité.</figcaption></figure>

## 3. RESULTATS

Le graphique 2 montre les résultats issus des simulations de la sensibilité en fonction de l'accélération. Dans la zone ou la sensibilité reste constante, nous avons une réponse linéaire du capteur, ce qui peut être considéré comme la plage de mesure du capteur.

<footnote n="1">¹ IES, Montpellier 34000, France.</footnote>

<footnote n="2">² IEMN, 59652 Villeneuve d'Ascq</footnote>
<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>Figure 2 : Graphique de l'évolution de la sensibilité en fonction de l'accélération pour les quatre modèles</figcaption></figure>

Nous pouvons aussi voir qu'il y a une légère différence entre les modèles. Cependant, la principale différence est due à la forme de la cavité. Pour ce qui concerne le modèle 3D, il y a une différence entre le modèle hexa avec détecteur en 2D et celui en 3D, cependant, la aussi l'ordre de grandeur reste le même (écart de 0.048°c/g).

## 4. CONCLUSIONS

Comme nous l'avons vu, la sensibilité d'un capteur est principalement influencé par la forme de la cavité. Nous pouvons donc tracer l'évolution de la sensibilité en fonction de la taille de la cavité (diamètre dans le cas du premier modèle, et largeur pour les trois autres). Dans le graphique log-log (figure 3) on trouve une pente pour la courbe égale à 3, ce qui correspond au terme cubique de l'équation de la sensibilité [1], [3], terme caractérisant les dimensions de la cavité.

Nous pouvons conclure que pour les simulations en régime permanent, la forme de la cavité ou la présence des détecteurs n'influence que très peu la réponse des capteurs. L'utilisation d'un modèle simplifié pour les simulations CFD permet de réduire le temps de calcul tout en ayant les mêmes résultats qu'avec un modèle plus complexe.

La différence entre les simulations 2D et 3D reste faible, elle est principalement du au fait qu'en 3D, le gradient thermique le long du fil de chauffe est pris en compte, contrairement au modèle 2D.

Les résultats étant très proche, il n'est pas nécessaire de réaliser systématiquement les simulations en 3D, même si celles-ci restent plus précises.

Nous allons aussi réaliser des simulations (2D et 3D) en mode transitoire afin de déterminer l'influence des détecteurs sur le temps de réponse et la bande passante des capteurs.

## 5. REFERENCES

[1] A. Garraud, « Amélioration des performances et nouveau concept de détecteurs de capteurs inertiels à détection thermique », Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, 2011.

[2] A. Garraud, P. Combette, J. M. Gosalbes, B. Charlot, et A. Giani, « First high-g measurement by thermal accelerometers », in *2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference*, Beijing, China: IEEE, juin 2011, p. 84-87.
doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2011.5969142.

[3] A. Garraud, P. Combette, F. Pichot, J. Courteaud, B. Charlot, et A. Giani, « Frequency response analysis of an accelerometer based on thermal convection », *J. Micromechanics Microengineering*, vol. 21, n° 3, p. 035017, mars 2011, doi: 10.1088/0960-1317/21/3/035017.

<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>Figure 3 : Evolution de la sensibilité en fonction de la taille de cavité</figcaption></figure>
# INVESTIGATION OF THERMAL GRADIENT GENERATED BY A MICRO-HOT WIRE FOR SIMULTANEOUS VELOCITY AND TEMPERATURE MEASUREMENT

Khaled Ahmad<sup>a</sup>, Baptiste Baradel<sup>a</sup>, Olivier léon<sup>b</sup>, Thibaut Dupuy<sup>b</sup>, Philippe Combette<sup>a</sup>, Léo Chamard<sup>a</sup>, Alain Giani<sup>a</sup>

<sup>a</sup> IES, Université de Montpellier, 34000, Montpellier, France

<sup>b</sup> DMPE, ONERA, Université de Toulouse, 31000, Toulouse, France

E-mail: khaled.ahmad@etu.umontpellier.fr

## SUMMARY

This study focuses on advancing thermal fluid dynamics research by simultaneously measuring velocity and temperature fluctuations in small-scale turbulent flows. The complex dynamics of turbulent flows necessitate understanding spatiotemporal correlations between these fluctuations for studying turbulent flow, heat transfer and energy exchange mechanisms. Thermal anemometry, particularly using a micro-sensor approach, shows promise due to its ability to integrate temperature and velocity measurements. Challenges include spatial filtering effects and potential interference between measurement wires. Previous research has addressed these challenges through micro-sensor development, enhancing velocity measurement accuracy. Current work aims to develop a dual-wire micro-sensor for simultaneous velocity and temperature measurement, optimizing wire spacing to minimize interference while ensuring accurate readings. Computational simulations and experimental validations highlight promising results, though further investigation into turbulence-induced effects is ongoing.

## 1. INTRODUCTION

The simultaneous measurement of velocity and temperature fluctuations in small-scale turbulent flows is crucial for advancing thermal fluid dynamics research. Understanding the spatiotemporal correlation between these fluctuations is essential due to the complex dynamics of turbulent flows, characterized by increased vorticity, higher dissipation rates, and amplified thermal gradients. Accurate measurements are imperative to study turbulent heat transfer phenomena and thermal energy exchange mechanisms [1].

## 2. DESCRIPTION OF THE STUDY

However, simultaneously measuring velocity and temperature fluctuations in turbulent flow using a single sensor poses significant challenges. Among the available measurement techniques, thermal anemometry offers the most promising advantages for achieving this simultaneous acquisition [2]. This approach involves employing a sensor comprising two wires: a cold wire for

temperature measurement and a hot wire for velocity measurement. Unfortunately, this strategy presents two main issues. Firstly, it is constrained by the limitations of thermal anemometry, which stem from the elongated dimensions of their sensitive elements, introducing spatial and temporal filtering effects. Secondly, employing two wires introduces the risk of interaction between them, potentially disrupting their respective measurements.

To address this first issue, previous research efforts resulted in the development of a micro-sensor featuring reduced sensing element dimensions [3]. The thermo-resistive micro-sensor is composed by a thin platinum wire, measuring 60 µm in length, 0.2 µm in thickness, and 1.5 µm in width, serving as the sensing element. Positioned at the midpoint of a 900 µm bridge Silicon Nitride structure, the wire is supported by a silicon framework (Fig.1). The micro-sensor has demonstrated significant enhancements in detecting velocity fluctuations during flow measurements, underscoring such sensors can be used for velocity measurements.

The present investigation aims to address the second issue of measuring simultaneously velocity and temperature. Building upon previous work on microsensor development for velocity measurement, the proposed sensor for simultaneous measurement will adopt a similar design, but with two wires: the first serving as the cold wire and the second as the hot wire (Fig.2). However, the heat generated by the hot wire may affect the measurements of the cold wire, particularly under static conditions and low-velocity flow. The key challenge here is to establish the minimum distance between these two wires to prevent any interference while ensuring that the distance does not exceed 500 µm to qualify as simultaneous. Computational simulations using ANSYS are conducted to model a 2D simulation studying the temperature distribution by a hot plate configured similarly to a micro hot wire. Additionally, temperature measurements are conducted to assess the validity of the simulation. This is done using sensors with differently spaced elements, and by placing two sensors with single wires close together at a specific distance.
<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>**Figure 1.** SEM Images: Microsensor with Conventional and Micro Hot Wires.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>**Figure 2.** SEM Images: (a) Microsensor with Two Sensing Elements Spaced by $s = 150\ \mu m$, (b) Close-up View of Sensing Elements.</figcaption></figure>

### 3. RESULTS

A good agreement between experimental data and simulations is observed (Fig.3). Additionally, simulations of forced convection were performed. The results indicate for a distance between the two wires of 400 to 500 µm, there is an effect when the hot wire operates at 200 °C with no flow or very low velocity (0.15 m/s). This suggests that at this temperature of hot wire, a correction is necessary for the cold wire or by reducing the temperature of the hot wire, although this may compromise sensitivity in velocity measurement. Beyond this velocity threshold, the effect dissipates allowing to use the sensors without corrections. However, further investigation is required to determine if turbulence-induced effect, like reverse flow, would impact the cold wire's measurements.

### 4. CONCLUSIONS

In conclusion, this study underscores the critical importance of advancing simultaneous velocity and temperature measurement capabilities in small-scale turbulent flows. Through the development and refinement of micro-sensor technology, significant strides have been made towards overcoming traditional measurement limitations. Challenges such as spatial filtering effects

and wire interaction have been addressed through innovative sensor designs and rigorous experimental validation. The integration of computational simulations has provided valuable insights into thermal distributions and interference effects, enhancing our understanding of turbulent heat transfer phenomena. Moving forward, continued research efforts will focus on further optimizing sensor designs and exploring the impact of turbulent dynamics on measurement accuracy, ultimately paving the way for more efficient thermal management and energy systems.

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>**Figure 3.** Thermal Gradient Induced by a Hot Plate (a) in Natural Convection: Experimental and ANSYS Simulation Study, (b) Natural convection vs Forced convection.</figcaption></figure>

### 4. REFERENCES

[1] J. Zhang, Z. Zou, et C. Fu, « A Review of the Complex Flow and Heat Transfer Characteristics in Microchannels », *Micromachines*, vol. 14, n° 7, p. 1451, juill. 2023, doi: 10.3390/mi14071451.

[2] Petar V Vukoslavcević et James M Wallace, « The simultaneous measurement of velocity and temperature in heated turbulent air flow using thermal anemometry », *Meas. Sci. Technol.*, vol. 13, p. 1615, sept. 2002, doi: 10.1088/0957-0233/13/10/315.

[3] B. Baradel, A. Giani, F. Méry, P. Combette, et O. Léon, « A micro-hot-wire anemometry probe with elongated stubs for turbulent boundary layermeasurements ». 20mars 2024. doi: 10.21203/rs.3.rs-4109150/v1.
# LE LASER À POLARITONS DE GUIDE D'ONDE :
VERS UNE NOUVELLE GÉNÉRATION DE LASERS POUR LA PHOTONIQUE
INTÉGRÉE

H. Souissi<sup>1,2*</sup>, M. Gromovyi<sup>1,3</sup>, E. Cambril<sup>1</sup>, V. Develay<sup>2</sup>, C. Brimont<sup>2</sup>, L. Doyennette<sup>2</sup>, T. Guillet<sup>2</sup>,
D. Solnyshkov<sup>4,5</sup>, G. Malpuech<sup>4</sup>, B. Alloing<sup>3</sup>, J. Zuniga-Perez<sup>3</sup>, S. Bouchoule<sup>1</sup>

<sup>1</sup> Centre de Nanosciences et de technologies, CNRS, Université Paris-Saclay, France

<sup>2</sup> Laboratoire Charles Coulomb (L2C), Université de Montpellier, CNRS, France

<sup>3</sup> UCA, CRHEA-CNRS, Rue Bernard Gregory, 06560 Valbonne, France

<sup>4</sup> Université Clermont Auvergne, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France

<sup>5</sup> Institut Universitaire de France (IUF), 75231 Paris, France

*hassen.souissi@c2n.upsaclay.fr

## RÉSUMÉ

Le laser à polaritons en géométrie de guide d'onde intéresse de par ses propriétés uniques résultant du couplage fort exciton-photon. Cette étude se concentre sur une cavité GaN courte de 60 µm, où le fonctionnement en continu ou en régime de blocage de mode est observé. La dépendance de ces régimes est étroitement liée au spectre de gain, à la dispersion de vitesse de groupe et à la non-linéarité $\chi^{(3)}$ des polaritons.

## 1. INTRODUCTION

Les guides d'onde polaritoniques représentent une avancée majeure dans le domaine de l'optoélectronique et de l'optique intégrée, offrant des opportunités uniques pour le développement de nouveaux dispositifs photoniques. Ces guides exploitent le concept novateur de laser à polaritons, qui se distingue des lasers semiconducteurs conventionnels par son mode de fonctionnement basé sur la relaxation stimulée d'un réservoir d'excitons vers un état final polaritonique. Le laser à polaritons à base de GaN est particulièrement prometteur et constitue l'objet central de notre étude. Nous présentons ici une analyse approfondie de son mode de fonctionnement original, qu'il soit en régime continu ou impulsionnel à blocage de modes, contrôlé par la longueur de pompage optique et la température de fonctionnement.

## 2. DESCRIPTION DE L'ETUDE

Le GaN est un matériau semiconducteur à large bande interdite qui, comme le ZnO, possède des excitons particulièrement robustes et dotés d'une forte force d'oscillateur. Cela permet de maintenir un couplage fort exciton-photon jusqu'à température ambiante. Le premier laser à polaritons, et amplificateur, a été réalisé dans un guide d'onde ZnO, où les fissures présentes jouent le rôle de cavité optique [1]. Dans le présent travail, les structures laser sont réalisées via une méthode de

fabrication top-down, permettant une meilleure maîtrise des caractéristiques de la cavité et des modes optiques. Les cavités en forme de ruban sont définies par lithographie électronique et gravées dans une couche active de GaN, avec des réflecteurs de Bragg (DBR) placés aux extrémités (Figure 1(a)). À température ambiante, un fort couplage est attesté par un dédoublement de Rabi mesuré à 66±10 meV [2]. Les cavités sont pompées optiquement, en résonance avec le réservoir d'excitons libres, avec un contrôle de la longueur de gain $L_{pump}$, en régime quasi-continu.

## 3. RESULTATS

La Figure 1(b) montre une série de spectres de micro-photoluminescence (d'émission) en fonction de la puissance, enregistrés à la position du DBR à une température T=70 K. En dessous du seuil, plusieurs modes Fabry-Perot sont observés sur une large gamme spectrale à désaccord négatif. L'effet laser est démontré par la non-linéarité de l'intensité d'émission et l'affinement spectral du mode laser. En mesurant l'intervalle spectral libre (FSR) de la cavité, qui est proportionnel à la dispersion des modes polaritoniques dans le guide d'onde, nous démontrons que le laser fonctionne en régime de couplage fort exciton-photon. Il s'agit bien d'un laser polaritonique quasi-continu [3]. En étendant notre étude à T=150 K, nous constatons une transition vers un régime laser multimode, marqué par un FSR constant et une enveloppe sécante-hyperbolique (Figure 1(c, d)). Les interactions non-linéaires entre les polaritons, qui jouent un rôle crucial en compensant la dispersion de la vitesse de groupe, et le profil spectral de l'émission, sont deux signatures d'un blocage de modes qui donne lieu à une émission laser impulsionnelle, à la fréquence de répétition de la cavité (>100 GHz). Ces résultats expérimentaux trouve un support probant dans nos simulations numériques basées sur l'équation de Gross-Pitaevskii [4]. C'est la formation de solitons de cavité, résultant du blocage de modes induit par la non-
linéarité $\chi^{(3)}$ des polaritons, qui est responsable de cette émission impulsionnelle.

<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>(b) Monomode regime, T=70 K</figcaption></figure>

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>(c) Mode-locked regime, T=150 K</figcaption></figure>

<figure><img src="image_92.png" /><figcaption>(d) Mode-locked regime, T=150 K</figcaption></figure>

<figure><img src="image_93.png" /></figure>

Figure 1 : (a) Structure laser (cavité de longueur $L_{cav}=10~\mu\text{m}$) et son pompage optique (en rouge) ; (b, c) Spectre d'émission d'un laser à polariton de longueur $L_{cav}=60~\mu\text{m}$ à T=70 et 150K ; (d) Intervalle spectral libre (FSR) mesuré (ronds) et modélisé d'après la dispersion des polaritons du guide d'onde GaN.

## 4. CONCLUSIONS

Le laser à polaritons fonctionne de manière originale en raison de la non-réciprocité entre l'absorption et l'émission stimulée dans la couche active. Il se distingue par un gain très élevé (jusqu'à $7000~\text{cm}^{-1}$), une forte dispersion de la vitesse de groupe et une non-linéarité optique marquée. La relation entre ces trois paramètres détermine le mode d'émission du laser, qu'il soit continu ou impulsionnel avec blocage de modes.

## 4. REFERENCES

[1] O. Jamadi et al. Light : Science & Applications 7, 82 (2018)

[2] C. Brimont et al. Phys. Rev. Appl. 14, 054060 (2020)

[3] H. Souissi et al. Phys. Rev. Appl. 18, 044029 (2022) ; arXiv:2201.04348 (2022)

[4] H. Souissi et al. Optica Vol. 11, Issue 7, pp. 962-970 (2024) ; arXiv:2310.18661 (2023)
# SINGLE MODE INTERBAND CASCADE LASER EMITTING AT 4.61 µm

L. Kacel¹,², Z. Loghmari², M. Fagot¹, D.A. Diaz-Thomas¹, R. Teissier¹,² and L. Cerutti¹

¹ IES, Univ. Montpellier, CNRS, 34000 Montpellier, France
² MirSense, Orsay, France

* Lydia.Kacel@mirsense.com

## ABSTRACT

We present the fabrication and study of single-mode interband cascade lasers (ICL) emitting at 4.61 µm for CO gas detection. The laser structure is grown on a GaSb substrate, and the distributed feedback devices (DFB) are based on a top surface periodic grating. Single-mode operation is demonstrated over a wide temperature and current range in pulsed operation.

## 1. INTRODUCTION

Interband cascade lasers (ICLs) are currently the most used semiconductor laser sources in the 3-6 µm wavelength range of the mid-infrared (MIR) [1]. They are essential in various fields, such as spectroscopy and gas detection [1]. These applications require single-mode lasers. Distributed feedback (DFB) technology is generally used to ensure spectral selectivity and single-mode emission. Lateral metal gratings [2] have been successfully used to fabricate single mode ICLs. In our work we present a solution with a grating on the top of the laser ridge. We aim to reduce power consumption and increase optical output power. To achieve this, mirSense company [3] is developing single mode lasers that operate in pulsed regime at high temperature.

## 2. DESCRIPTION

This study consists of three main phases: simulation, fabrication and experimental characterization. Initial simulations using COMSOL software allow us to determine the parameters needed to fabricate DFB ICLs targeting a wavelength of 4.61 µm for CO gas detection. The process then begins by implementing the periodic gratings on the surface using e-beam lithography and ICP dry etching. A periodic pattern of around 650 nm is defined to select the longitudinal single-mode emission. A ridge width

around 6 µm is designed using optical photolithography to ensure transversal single-mode emission. The next fabrication steps follow standard laser technology processes [4]. Experimental characterizations are initially performed in pulsed mode.

## 3. RESULTS

This section presents experimental results obtained in the pulsed regime with 310 ns pulses at a frequency of 12 kHz. The Figure 1 shows the typical PIV characteristics of an ICL DFB with a ridge width of 6 µm and a cavity length of 2 mm measured at different heatsink temperatures. The DFB technology didn't affect the laser performance as the threshold currents are similar to those of Fabry Perot lasers from the same wafer.

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>Figure 1: P-I-V of a pulsed 6 µm × 2 mm DFB-ICL at different temperatures.</figcaption></figure>

The Figure 2 shows the emission spectrum of the same laser at different temperatures under a driving current of 200 mA. It can be seen that the emission is single-mode from 10°C up to 40°C around the target wavelength of 4.61 µm.
<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Figure 2: Emission spectrum of a pulsed 6µm × 2mm ICL at various temperatures.</figcaption></figure>

## 4. CONCLUSION

This study demonstrates the potential of ICLs using surface DFB gratings to achieve single-mode emission above room temperature. The emission wavelength of 4.61 µm is suitable for the spectroscopy of carbon monoxide (CO). The results therefore open new prospects for DFB ICLs integrated into low power consumption gas sensor.

## ACKNOWLEDGEMENTS

This work was partially supported by the French program "Investments for the Future" (EquipEx EXTRA and HYBAT, ANR-11-EQPX0016, ANR-21-ESRE-0026), the BPI (HyQuality Project DOS0188007/00).

## REFERENCES

[1] J. R. Meyer et al., Photonics, vol. 7, no 3, Art. no 3, sept. 2020.

[2] J. Koeth et al., Proc. of SPIE Vol. 10403 1040308-3, Aug. 2017.

[3] https://mirsense.com

[4] D. A. Díaz Thomas et al. Optics Express, Vol;27, No 22/28, Oct. 2019.
Posters :

Micro-nano-technologies et systèmes,
Composants photoniques, intégration
photonique et optoélectronique
# MATERIAUX NANOCOMPOSITES A TRANSITION DE SPIN POUR COMPOSANTS OPTIQUES ACTIFS

Jesukpego Anorld CAPO CHICHI¹, Alejandro ENRIQUEZ CABRERA²,
Gabor MOLNAR², Lionel SALMON², Karl RIDIER², Azzedine BOUSSEKSOU², Stéphane CALVEZ¹

¹ LAAS-CNRS, UPS, CNRS, Toulouse

² LCC, UPS, CNRS, Toulouse

*E-mail: scalvez@laas.fr

## RESUME

Pour faciliter la réalisation de composants photoniques actifs dans la gamme visible, on présente des avancées technologiques de mise en œuvre et mise en forme de résines chargées avec des nanoparticules de matériau à changement de phase. Des films thermiquement actifs d'épaisseur micrométrique et micro-structurés de SU-8 incorporant des nanoparticules de triazole borate de fer II avec des concentrations atteignant 15% en masse sont été obtenus. Ces résultats ouvrent une voie vers la réalisation d'éléments optiques diffractifs ajustables.

Dans cette contribution, on rapporte nos progrès sur la mise en œuvre de résines chargées en nanoparticules de matériau à SCO. Ces nanocomposites à SCO sont utilisés pour créer des films minces à SCO qui seront mis en forme pour fabriquer, dans un second temps, des démonstrateurs d'éléments optiques diffractifs ajustables. On note que cette approche est similaire à celle publiée très récemment par l'équipe de Bernhard Roth [10], qui utilise également des nanocomposites à SCO pour fabriquer des capteurs de température exploitant la modification de la propagation dans des guides d'onde optiques multimodes.

## 1. INTRODUCTION

Les matériaux à changement de phase (Phase Change Materials - PCM) sont des matériaux qui présentent une variation importante de leur indice complexe de réfraction lors de leur changement d'état [1], [2], [3]. De fait, ils font l'objet de nombreuses investigations visant à exploiter cette propriété pour réaliser des composants optiques actifs compacts tels que des fenêtres intelligentes [4], des modulateurs/commutateurs en optique intégrée ou non [2], [3], des mémoires optiques voire des circuits photoniques neuro-morphiques [5]. Bien que moins couramment étudiés que les chalcogénures (Ge₂Sb₂Te₅ - GST), les matériaux à transition métal isolant (VO₂) ou encore les cristaux liquides (type E7), les complexes moléculaires à transition de spin (Spin CrossOver - SCO) constituent une famille intéressante de matériaux à changement de phase pour une utilisation au sein de dispositifs opérant dans la gamme visible [6], [7]. En effet, ces composés organométalliques peuvent transiter de manière réversible entre les conformations diamagnétique "bas spin" (Low Spin, LS) et paramagnétique "haut spin" (High Spin, HS) de leurs ions métalliques (typiquement Fe, Co, Mn, Cr), deux états solides de bande interdite située dans l'(ultra)-violet et dont la séparation en indice de réfraction est d'environ 0.05.

A ce jour, cette réponse optique des composés SCO a été plutôt utilisée comme un moyen de sonder le changement d'état [8] plutôt que comme une méthode pour activer des dispositifs (photoniques). Les travaux dédiés à la réalisation de composants sont donc peu nombreux et se sont concentrés sur l'exploitation de films minces de matériaux SCO au sein d'afficheurs de chiffres thermo-chromiques [9] ou de modulateurs optiques de type Fabry-Pérot avec couplage optique direct [6] ou médié par prisme [7].

## 2. PREPARATION

Le complexe SCO sélectionné pour cette étude est le triazole borate de fer II, un composé prometteur notamment car il présente une large modulation de l'indice de réfraction avec une transition de phase abrupte à hystérésis (les températures de transition étant autour de 110 °C à l'échauffement et autour de 60 °C au refroidissement). La synthèse de ce complexe SCO est effectuée selon un protocole existant [8].

Cette élaboration conduit à l'obtention de nanoparticules de triazole tetrafluoroborate de fer II polydispersées (leur taille variant entre 60 et 100 nm). Pour fabriquer le nanocomposite à SCO, on introduit une quantité choisie (jusqu'à 15% en masse) de ces nanoparticules dans une résine époxy de type SU8-3005 (densité de 1.075 g/ml). On mélange cette résine chargée pendant 18h à l'aide d'une agitation magnétique pour l'homogénéiser au mieux.

La réalisation de couches minces d'épaisseur micrométriques (1-5µm) sur des substrats (de verre) est effectuée par centrifugation (spin-coating) du nanocomposite à SCO créé ou par dépôt par spray d'une version diluée dans de l'acétone. Une image d'un échantillon (de ~2x2cm²) est présentée dans l'insert de la Figure 2.

Pour aller vers la fabrication de composants micro-structurés, notre approche consiste à réaliser des moules en SU8 par lithographie optique standard puis à venir les remplir à l'aide du nanocomposite à SCO par centrifugation. On obtient ainsi des zones juxtaposées de SU8 et de SU8 chargée, comme l'attestent les images de la Figure 1.
<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>Figure 1: (a) Image au microscope optique d'un motif de lignes réalisé par lithographie dans un film de résine SU8-3008, (b) Image au microscope optique de la structure précédente dont les espaces en air ont été comblés par du nanocomposite à SCO par centrifugation.</figcaption></figure>

## 2. CARACTERISATIONS

Les films et structures fabriqués ont été testés pour vérifier que le matériau SCO est toujours actif à l'issue des procédés de fabrication décrits ci-dessus. Pour cela, des mesures de transmission pour des températures allant de l'ambiante à 150°C ont été réalisées à l'aide d'un spectromètre commercial (PerkinElmer Lambda 950).

La Figure 2 montre une modification significative des spectres dans la gamme des ultra-violets (~320 nm), caractéristique du changement d'état du composé à SCO. Un résultat similaire a été obtenu avec un film structuré et rempli avec un nanocomposite chargé à 15%.

<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>Figure 2: Spectres de transmission d'un film de nanocomposite SCO chargé à 2.5% pour plusieurs températures de substrat. En insert, l'image de gauche (respectivement droite) montre une photo d'un échantillon recouvert d'un film planaire pour une température de substrat inférieure (respectivement supérieure) aux températures de transition.</figcaption></figure>

## 4. CONCLUSIONS

Dans cette étude, des résines chargées en nanoparticules de matériau à transition de spin avec des teneurs massiques pouvant atteindre 15% ont créées. Ces nanocomposites ont ensuite permis d'élaborer des couches minces et des motifs micrométriques de SU8 chargée en SCO. Les caractérisations optiques ont montré que le composé à SCO intégré est toujours actif. Ces premiers résultats technologiques ouvrent la voie vers la démonstration d'éléments optiques diffractifs ajustables ou de guides d'onde thermiquement commutables.

## 5. REMERCIEMENTS

Les travaux ont été financés en partie par Agence Nationale de la Recherche (projet SCOPOL, ANR-22-CE09-0019). Les travaux décrits ont été réalisés au sein de la centrale de micro-nanofabrication du LAAS-CNRS, membre du réseau national des plateformes technologiques RENATECH.

## 6. REFERENCES

[1] J. Beeckman, « Liquid-crystal photonic applications », Opt. Eng., vol. 50, n° 8, p. 081202, août 2011, doi: 10.1117/1.3565046.

[2] M. Wuttig, H. Bhaskaran, et T. Taubner, « Phase-change materials for non-volatile photonic applications », Nat. Photonics, vol. 11, n° 8, p. 465-476, août 2017, doi: 10.1038/nphoton.2017.126.

[3] K. J. Miller, R. F. Haglund, et S. M. Weiss, « Optical phase change materials in integrated silicon photonic devices: review », Opt. Mater. Express, vol. 8, n° 8, p. 2415, août 2018, doi: 10.1364/OME.8.002415.

[4] L. Long et H. Ye, « How to be smart and energy efficient: A general discussion on thermochromic windows », Sci. Rep., vol. 4, n° 1, p. 6427, sept. 2014, doi: 10.1038/srep06427.

[5] F. Brückerhoff-Plückelmann, J. Feldmann, C. D. Wright, H. Bhaskaran, et W. H. P. Pernice, « Chalcogenide phase-change devices for neuromorphic photonic computing », J. Appl. Phys., vol. 129, n° 15, p. 151103, avr. 2021, doi: 10.1063/5.0042549.

[6] Y. Zhang et al., « A molecular spin-crossover film allows for wavelength tuning of the resonance of a Fabry-Perot cavity », J. Mater. Chem. C, vol. 8, n° 24, p. 8007-8011, 2020, doi: 10.1039/D0TC02094J.

[7] L. Zhang et al., « Thermo-Optical Switches Based on Spin-Crossover Molecules with Wideband Transparency », Adv. Opt. Mater., p. 2303252, 2024, doi: 10.1002/adom.202303252.

[8] G. Molnár, S. Rat, L. Salmon, W. Nicolazzi, et A. Bousseksou, « Spin Crossover Nanomaterials: From Fundamental Concepts to Devices », Adv. Mater., vol. 30, n° 5, p. 1703862, févr. 2018, doi: 10.1002/adma.201703862.

[9] O. Kahn et C. J. Martinez, « Spin-Transition Polymers: From Molecular Materials Toward Memory Devices », Science, vol. 279, n° 5347, p. 44-48, janv. 1998, doi: 10.1126/science.279.5347.44.

[10] A. Günther et al., « Investigation of the molecular switching process between spin crossover states of triazole complexes as basis for optical sensing applications », Sci. Rep., vol. 14, n° 1, p. 5897, mars 2024, doi: 10.1038/s41598-024-56427-1.
Micro-capteur à base de graphène pour la
détection électrochimique de micropolluants

Aïda Bensebaa * 1,2

<footnote n="1">¹ Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures – Université d'Orléans, Centre National de la Recherche Scientifique – France</footnote>

<footnote n="2">² Laboratoire Charles Coulomb – Centre National de la Recherche Scientifique, Université de Montpellier – France</footnote>

<footnote>*Intervenant</footnote>
Posters :

Physique des structures de basse
dimensionnalité
# CROISSANCE IN SITU DE BOITES QUANTIQUES INAS SUR INP

K. Pantzas¹*, G. Beaudoin¹, L. Couraud¹, L. Travers¹, A. Harouri¹, L. Le Gratiet¹, D. Mailly¹, I. Sagnes¹ et G. Patriarche¹

¹ Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies CNRS - Université Paris-Saclay, 91120, Palaiseau, France

* E-mail: konstantinos.pantzas@c2n.upsaclay.fr

## RESUME

La croissance de boites quantiques InAs sur InP est observée pour la première fois in situ dans le microscope électronique NANOMAX. Cette observation a été rendue possible par le développement d'un procédé de transfert de membranes d'InP de 100 nm d'épaisseur sur des membranes chauffantes en SiC utilisées pour l'observation. Nous discuterons des mécanismes de croissance et montrerons que la forme (boîte ou bâtonnet) dépend des précurseurs des éléments V.

## 1. INTRODUCTION

Les sources de photons uniques émettant aux longueurs d'onde des télécommunications constituent un élément essentiel pour le développement de réseaux de communication quantique et des technologies pour l'informatique quantique. Parmi la grande variété de systèmes pouvant être utilisés pour fabriquer de telles sources, les lasers à boites quantiques (BQs) InAs sur InP font partie des plus prometteurs. En effet, on s'attend à ce que ces sources produisent des photons indiscernables de grande brillance, à l'instar des sources basées sur des BQs InAs sur GaAs émettant à des longueurs d'onde plus courtes [1]. Les BQs InAs sur InP ont de surcroît l'avantage d'émettre dans les fenêtres des télécoms optiques et peuvent être directement couplés aux réseaux de télécommunication à fibres optiques. Toute source à photon unique fabriquée sur InP pourrait donc immédiatement bénéficier de l'infrastructure de télécommunication existante [2].

Malgré près de trois décennies d'efforts de recherche, les sources basées sur des BQs InAs sur InP restent peu développées. Le plus grand défi réside dans la croissance des BQs elles-mêmes. Contrairement aux BQs InAs sur GaAs, le contrôle de la taille et de la densité des BQs InAs auto-assemblées sur InP émettant à 1,55µm est extrêmement complexe. D'autres approches, comme notamment l'épitaxie sélective dans des nano-ouvertures [3] par MOVPE ou l'épitaxie par gouttelettes (droplet epitaxy) [4], n'ont guère été plus fructueuses jusqu'à présent. Seule une compréhension plus approfondie des mécanismes sous-jacents à la formation des boites quantiques permettra une percée dans ce domaine.

Les développements récents de la microscopie électronique à transmission ont donné naissance à des

microscopes qui servent également de chambres de réaction modèles et permettent d'observer la croissance de nanocristaux en temps réel. De tels microscopes ont été utilisés avec succès pour observer la croissance de nanofils [5] et de nanotubes de carbone. Cependant, la synthèse d'objets de dimension inférieure, tels que les boites quantiques, n'a pas encore été rapportée. Contrairement aux nanofils ou aux nanotubes de carbone, dont l'épitaxie peut s'effectuer à partir de catalyseurs métalliques dispersés sur une membrane chauffée dans le porte-échantillon du microscope, les boites quantiques nécessitent l'utilisation d'un nanosubstrat : c'est la différence de paramètre de maille entre ce nanosubstrat d'InP, et la couche de mouillage en InAs, qui entraînera la croissance de BQs d'InAs. À ce jour, aucun nanosubstrat de ce type n'a été fabriqué.

La présente contribution décrit la fabrication de nanosubstrats d'InP, leur transfert sur des membranes en SiC, et leur utilisation pour l'observation in situ de la croissance de boites quantiques et de bâtonnets quantiques d'InAs par épitaxie par jets moléculaires (MBE).

## 2. FABRICATION DE NANOSUBSTRATS

Les nanosubstrats InP ont été fabriqués selon les étapes décrites ci-après. Tout d'abord, une membrane d'InP de 100 nm d'épaisseur a été épitaxiée sur une couche d'arrêt en InGaAs sur substrat InP par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE). Des cadres rectangulaires ont été définis sur ces échantillons par lithographie électronique. Les dimensions extérieures des cadres étaient de 25µm par 50µm, et les dimensions intérieures de 15µm par 40µm. Une gravure par plasma a été ensuite utilisée pour graver la membrane InP dans les fenêtres et exposer la couche d'arrêt en InGaAs. La membrane a été ensuite partiellement sous-gravée en chimie humide, suspendant une couronne d'InP sur un pilier central en InGaAs.

Les nanosubstrats sont ensuite découpés à l'aide d'un faisceau d'ions focalisés d'helium (FIB-He). Le FIB-He a été préféré au FIB-gallium pour éviter l'implantation de gallium dans les nanosubstrats. En effet, l'hélium implanté dans le nanosubstrat sera éliminé lorsque le nanosubstrat est chauffé, alors que le gallium formerait des gouttes de gallium qui contamineraient l'ensemble du
nanosubstrat. Ces nanosubstrats ont été transférés et placés sur les ouvertures des membranes chauffantes en SiC, utilisées pour la croissance dans le microscope in situ NANOMAX. L'adhésion par Van der Waals suffit à maintenir le nanosubstrat sur la membrane et aucune brasure supplémentaire n'est nécessaire.

### 3. RESULTATS

L'épitaxie de QDs InAs par MBE sur nanosubstrat InP a pu être observée en temps réel dans le microscope électronique à transmission NANOMAX. A une température d'épitaxie de 410°C et sous flux moléculaires d'indium et d'arsenic nous avons d'abord observé la formation de bâtonnets quantiques (Fig.1a), i.e. de boites quantiques dont une des dimensions dans le plan est plus grande que l'autre. Ce n'est que par l'ajout d'un flux de phosphore que nous avons pu observer la croissance d'objets rectangulaires ou boites quantiques (Fig 1b). Ce flux de phosphore permet de stabiliser la surface du nanosubstrat et empêche une évaporation partielle de celui-ci préférentiellement selon les axes [110], qui conduit à la formation de bâtonnets quantiques.

<figure><img src="image_98.png" /></figure>

Fig.1 : Image TEM de bâtonnets quantiques (a) et boites quantiques (b) d'InAs observés in situ en axe de zone 001. On retiendra que des bâtonnets se forment sous flux moléculaires de gallium et d'arsenic; seul l'ajout d'un flux de phosphore permet l'observation de la croissance de boites quantiques.

### 4. CONCLUSIONS

Nous avons établi un procédé de fabrication de nanosubstrats d'InP de 100nm d'épaisseur et observé in situ la croissance de boites et bâtonnets quantiques d'InAs sur InP. Nous avons montré qu'il était crucial de maintenir une pression de phosphore afin d'éviter la formation de bâtonnets quantiques.

### 5. REMERCIEMENTS

Nous remercions le réseau RENATECH et l'Equipex TEMPOS pour leur soutien lors de la réalisation de cette étude.

### 6. REFERENCES

[1] N. Somaschi et al., "Near-optimal single-photon sources in the solid state," *Nature Photon*, vol. 10, no. 5, pp. 340-345, May 2016, doi: 10.1038/nphoton.2016.23.

[2] F. Kaiser, B. Fedrici, A. Zavatta, V. D'Auria, and S. Tanzilli, "A fully guided-wave squeezing experiment for fiber quantum networks," *Optica, OPTICA*, vol. 3, no. 4, pp. 362-365, Apr. 2016, doi: 10.1364/OPTICA.3.000362.

[3] N. Gogneau et al., "One-step nano-selective area growth (nano-SAG) of localized InAs/InP quantum dots: First step towards single-photon source applications," *Journal of Crystal Growth*, vol. 310, no. 15, pp. 3413-3415, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2008.04.019.

[4] E. M. Sala, M. Godsland, Y. I. Na, A. Trapalis, and J. Heffernan, "Droplet epitaxy of InAs/InP quantum dots via MOVPE by using an InGaAs interlayer," *Nanotechnology*, vol. 33, no. 6, p. 065601, Nov. 2021, doi: 10.1088/1361-6528/ac3617.

[5] J.-C. Harmand et al., "Atomic Step Flow on a Nanofacet," *Phys. Rev. Lett.*, vol. 121, no. 16, p. 166101, Oct. 2018, doi: 10.1103/PhysRevLett.121.166101.
# FLUIDES QUANTIQUES D'EXCITONS INDIRECTS DANS DES PUITS QUANTIQUES GAN/ALGAN : VERS UNE CONDENSATION DANS L'ETAT SOMBRE

T. Guillet¹, R. Aristegui¹, C. Brimont¹, B. Damilano², M. Vladimirova¹

¹ L2C, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France

² CRHEA, Université Côte d'Azur, CNRS, Valbonne, France

*E-mail: thierry.guillet@umontpellier.fr

## RESUME

Les fluides quantiques d'excitons indirects sont un système bosonique intéressant en tant qu'état collectif quantique de longue durée de vie. Nous présentons les progrès récents pour leur génération, leur refroidissement et leur piégeage dans des puits quantiques GaN/(Al,Ga)N, ainsi que les premières indications de condensation dans un état collectif de forte densité, dans l'état sombre de l'exciton.

## 1. INTRODUCTION

Les excitons indirects (IX) permettent de réaliser des fluides bosoniques dipolaires dans les puits quantiques semiconducteurs et dans les hétérostructures à base des TMDs. En effet, ces excitons sont constitués d'un électron et d'un trou separés spatialement, ce qui leur confère une grande durée de vie (µs) et un dipôle électrique important. Ils peuvent se propager sur des distances macroscopiques supérieures à 100µm, être contrôlés in situ par la lumière ou par des tensions appliquées sur des électrodes semi-transparentes, et être refroidis jusqu'à la température de dégénérescence quantique avant leur recombinaison radiative. Dans les puits quantiques GaN/(Al,Ga)N, les excitons sont naturellement indirects grâce au très fort champ électrique interne dans la direction de croissance qui sépare électrons et les trous en confinant chacun sur une face opposé du puits quantique.

Nos travaux antérieurs ont montré que nous pouvons façonner le potentiel de piégeage des excitons dans le plan de l'échantillon, par des électrodes, et générer des "lacs excitoniques" homogènes spatialement et thermalisés [1]. Le piégeage du fluide d'excitons peut être contrôlé par la nature des électrodes (NiAu ou graphène) et par le potentiel qui leur est appliqué [2,3]. La diffusion du fluide d'excitons dans le plan dépend en particulier du substrat utilisé et de la rugosité des interfaces de croissance [4].

## 2. IMPACT DU DIPOLE EXCITONIQUE

Dans cette étude, nous présentons d'une part les différentes procédures utilisées pour générer un fluide excitonique et l'étudier, en séparant soit spatialement, soit temporellement, la génération, le refroidissement et la mesure de l'état collectif d'excitons indirects (Figure 1a).

Nous détaillerons ensuite l'impact du dipôle excitonique sur la dynamique spatiale et temporelle de transport et de recombinaison des excitons indirects, sur une famille de puits quantiques de dipôle variant de 5nm à 8nm (Fig. 1b,c). Ces résultats sont analysés dans un modèle de drift-diffusion-recombinaison qui permet d'appréhender les interactions exciton-exciton dépendant du dipôle.

<figure><img src="image_99.png" /></figure>

Figure 1 : (a) Schéma de la génération du fluide d'exciton dans le piège formé par une électrode (en jaune); (b) Émission résolue spatialement et spectralement (en fausse couleur) pour un puits quantique d'épaisseur d=6,5nm; (c) Signal résolu en temps détecté dans le piège à la position x=60µm en fonction de l'épaisseur du puits quantique; τD indique le temps de transport diffusif des excitons entre la génération en x=0 et le piège.
### 3. VERS UN CONDENSAT SOMBRE D'EXCITONS INDIRECTS

Nous présenterons enfin des résultats préliminaires récents indiquant que dans certaines conditions d'excitation et de confinement dans le plan, pour des dipôles de 6.5 nm, une température de l'ordre de 10K et des densités de l'ordre de $10^{11}$ - $10^{12}$ cm$^{-2}$, le fluide excitonique condense vers un état sombre de spin $\pm 2$ de longue durée de vie.

### 3. REFERENCES

[1] F. Chiaruttini et al., Nano Letters **19**, 4911(2019)

[2] R. Aristegui et al., Phys. Rev. B **106**, 035429 (2022)

[3] R. Aristegui et al., Phys. Rev. B **108**, 125421 (2023)

[4] B. Damilano et al., J. Appl. Phys. **135**, 095702 (2024)
Posters :

Technologies et Capteurs Quantiques
# METAMATERIAL BASED QUANTUM WELL INFRARED PHOTODETECTORS WITH 1.5 A/W RESPONSIVITY AT ROOM TEMPERATURE IN THE LONG WAVE INFRARED

Jihye Baik¹, Thomas Bonazzi¹, Zixin Li¹, Isabelle Sagnes², Gregoire Beaudoin², Konstantinos Pantzas², Djamal Gacemi¹, Angela Vasanelli¹, Carlo Sirtori¹

¹ Laboratoire de physique de l'Ecole Normale Supérieure, ENS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité, 75005 Paris, France

² Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), CNRS—Université Paris-Sud/Paris-Saclay, Palaiseau 91120, France

* E-mail: jihye.baik@ens.fr

## ABSTRACT

Quantum well infrared photodetectors (QWIPs) are unipolar devices exploiting photoexcited electrons in quantum-confined 2D electronic states. In this work, we report a QWIP operating at room temperature at 9.6 µm wavelength. The absorbing region is based on doped InGaAs quantum wells, lattice-matched on InP, separated by quaternary (InGaAs)ₓ(InAlAs)₁-x barriers. The absorbing region is inserted into a metamaterial photonic structure. Thanks to the strong electromagnetic confinement induced by the metamaterial structure, we achieved high responsivity of 1.5 A/W at room temperature.

## 1. INTRODUCTION

The request for high responsivity and fast infrared photodetectors operating in the long wave infrared has gained momentum for various applications: high-speed free-space communications [1,2], LiDAR systems [3], and even IR imaging for astronomy [4].

Unipolar quantum devices based on intraband transitions in quantum wells are characterized by a fast response due to the very short lifetime of excited carriers, in the order of a few picoseconds. This property results in the demonstration of QWIPs exceeding 100 GHz [5] bandwidth. In addition, QWIPs show high optical saturation power (10⁷ W/cm⁻²) [6], making them ideal receivers in coherent detection set-ups.

It has been recently demonstrated [7] that the performances of QWIPs can be highly improved by embedding the absorbing quantum wells into antenna coupled metallic resonators. Such metamaterial arrays increase the confinement of the light via the cavity effect. Moreover, thanks to the antenna effect, they reduce the electrical area that generates dark current, while maintaining the optical area that absorbs the light. Furthermore, they operate for normal incidence optical beams.

In this work, we present a metamaterial-based QWIP with peak responsivity of 1.5 A/W at 9.6 µm wavelength, based on InP material system, operating at room temperature.

## 2. DESCRIPTION OF THE DEVICE

The heterostructure has been grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition on an InP substrate. It consists of 13 periods of doped InGaAs quantum wells (8 nm thickness), separated by GaInAlAs barriers, lattice matched on InP. The composition of the quaternary material was chosen to be (InGaAs)₀.₅(InAlAs)₀.₅, in order to position the excited electronic state close to the barrier level. This facilitates the extraction of photoexcited carriers. The transition energy between the two confined states of the doped quantum well corresponds to 130 meV (≈ 9.6 µm).

We embedded this absorbing region into a metal(Au)-semiconductor-metal(Au) structure which defines optical cavity in the format of a stripe array, shown in Fig. 1. The stripe width *s* determines the cavity resonance, which is chosen to be close to the electronic transition energy for maximizing the absorbance of the structure. The period of the array, *p*, has an impact on the coupling with free space radiation.

<figure><img src="image_100.png" /><figcaption>Figure 1: SEM image of the metamaterial QWIP. The stripes array is connected to a coplanar waveguide through an air-bridge.</figcaption></figure>

After growing the heterostructure on InP substrate, we deposit gold on top and bond the wafer on a GaAs substrate through gold. After flipping it, we remove InP substrate, then we have the bottom Au layer. We pattern
the top metal layer with stripes and perform ICP etching. After etching the heterostructure, we connect the contact pad to a coplanar waveguide through an air-bridge which allows us to have high bandwidth, up to few GHz.

### 3. RESULTS

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>Figure 2: Room temperature reflectivity (top panel) and responsivity (bottom panel) of QWIPs with different stripe size, *s*, and fixed periodicity, *p*=3.5 µm.</figcaption></figure>

The devices were characterized by performing reflectivity experiments in a set-up with a Cassegrain microscope objective coupled to a Fourier Transform Infrared Spectrometer and a commercial Mercury Cadmium Telluride detector. The top panel of Fig. 2 shows the measured reflectivity spectra for two devices with different stripe size *s* = 1.15 µm and 1.25 µm, and same period *p* = 3.5 µm. There are two interesting points we can observe from reflectivity spectra. Firstly, as the cavity mode approaches to the electronic transition energy, stronger absorption is observed, indicating fine tunability of the absorption. Secondly, peak splitting is evident, indicating the strong coupling between the confined electromagnetic mode in the cavity and the matter excitation. The coupling generates new eigenstates of the system, cavity polaritons, which are hybrid light-matter quasiparticles.

Responsivity measurements have been performed at room temperature by using a tunable quantum cascade laser (MIRcat-QT Mid-IR Laser, DRS Daylight Solutions), operating between 7.4 µm and 11.5 µm. The beam power impinging on the detector is 14 mW. The bottom panel of Fig. 2 presents the responsivity spectra measured for the same devices studied in reflectivity, under an applied bias of 1.2 V. Responsivity spectra show the same shape as observed in reflectivity, highlighting the important role played by the light-matter coupling in the device. Both devices show high peak responsivity exceeding 1 A/W at room temperature. With stripe size 1.15 µm, the cavity mode is better aligned with the electronic transition and it shows higher responsivity.

### 4. CONCLUSIONS

We demonstrated a 9 µm QWIP on InP, with quaternary barriers, inserted into an array of metamaterial resonators. The room temperature responsivity of our device is at least 5 times higher than that obtained on a GaAs-based QWIP [7,8] at the same wavelength.

Our device could be implemented for applications that require high speed and high responsivity, such as free-space data transmission [9], heterodyne coherent detection [10] and LiDAR [11].

### 5. REFERENCES

[1] R. Martini, C. Bethea, F. Capasso, C. Gmachl, R. Paiella, E. A. Whittaker, H. Y. Hwang, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. Y. Cho, Electron. Lett. 2002, 38, 181.

[2] H. Dely, T. Bonazzi, O. Spitz, E. Rodriguez, D. Gacemi, Y. Todorov, K. Pantzas, G. Beaudoin, I. Sagnes, L. Li, A. Davies, E. Linfield, F. Grillot, A. Vasanelli, C. Sirtori, Laser & Photonics Reviews 2022, 16, 2100414.

[3] A. Diaz, B. Thomas, P. Castillo, B. Gross, F. Moshary, Appl. Phys. B 2016, 122, 121.

[4] P. Krötz, D. Stupar, J. Krieg, G. Sonnabend, M. Sornig, F. Giorgetta, E. Baumann, M. Giovannini, N. Hoyler, D. Hofstetter, R. Schieder, Appl. Phys. B 2008, 90, 187.

[5] P. D. Grant, R. Dudek, M. Buchanan, and H. C. Liu, IEEE Photon. Technol. Lett., 2006, vol. 18, no. 21, pp. 2218-2220.

[6] K. L. Vodopyanov, V. Chazapis, C. Phillips, B. Sung, J. Harris, Sci. Technol 1997, 12, 708-714.

[7] D. Palaferri, Y. Todorov, A. Bigioli, A. Mottaghizadeh, D. Gacemi, A. Calabrese, A. Vasanelli, L. Li, A. G. Davies, E.H. Linfield, F. Kapsalidis, M. Beck, J. Faist, C. Sirtori, Nature 2018, 556, 85.

[8] L. Wei-Wei, J. Xin-Yang, X. Rui, Y. Li, X. Hui, L. Ning, L. Zhi-Feng, L. Wei, and L. Tian-Xin, Opt. Express 2024, 32, 20669-20681.

[9] H. Dely, M. Joharifar, L. Durupt, A. Ostrovskis, R. Schatz, T. Bonazzi, G. Maisons, D. Gacemi, L. Zhang, S. Spolitis, Y.T. Sun, V. Bobrovs, X. Yu, A. Vasanelli, O. Ozolins, X. Pang and C. Sirtori, Nature Comm. (to be published)

[10] M. Saemian, L. Balzo, D. Gacemi, Y. Todorov, E. Rodriguez, O. Lopez, B.Darquié, L. Li, A. Davies, E. Linfield, A. Vasanelli, C. Sirtori, Nanophotonics 2024, vol. 13, no. 10, pp. 1765-1772.

[11] L. Del Balzo et al. (in progress)
# Sponsors JNMO 2024

## Neyco

NEYCO, spécialiste depuis plus de 60 ans dans les domaines du Vide, des Matériaux Inorganiques et des Couches Minces, se positionne comme la passerelle "Vide et Matériaux" entre l'Industrie et la Recherche. Neyco est le spécialiste français des marchés du vide/ultra-vide et des matériaux inorganiques. Avec 70 ans d'expertise et une volonté rigoureuse d'amélioration, leur capacité de conseil et leur adaptabilité sont renforcées. Neyco, c'est avant tout une équipe d'experts à l'esprit d'initiative, centrée sur l'humain et la qualité des relations, soucieuse du bien-être et de l'épanouissement de ses collaborateurs et partenaires. Travaillant main dans la main avec l'Industrie et les laboratoires de recherche, c'est cette diversité qui leur permet d'être à la pointe des technologies haut de gamme, et de fournir des solutions "standard" ou "sur mesure" pour des produits techniques : Neyco, pont entre la Recherche et l'Industrie.

neyco
VACUUM & MATERIALS

## RENATECH

Renatech est le réseau académique français des équipements de pointe dans le domaine de la micro et nanotechnologie piloté par le CNRS. L'objectif de Renatech est de développer, maintenir et fournir une infrastructure propre et compétitive pour la recherche et la R&D en micro et nanofabrication en France. Renatech travaille avec des clients académiques et des industriels.

<figure><img src="image_102.png" /></figure>

## Azelis

Azelis is a leading innovation service provider in the specialty chemicals and food ingredients industry. Being a specialty distributor of chemicals and food ingredients, we're now a fully integrated and leading innovative service provider. With innovation and collaboration at our heart, we believe anything is possible. Azelis is your supplier for the highest purity metals and state of the art products for wafers, MBE, MOCVD, bonding and soldering technologies.

<figure><img src="image_103.png" /></figure>

## PEPR électronique

L'électronique est à la base des technologies et des services numériques qui sont omniprésents dans notre quotidien. On les trouve dans nos ordinateurs, nos téléphones, nos voitures, etc... De nouveaux marchés voient le jour avec la numérisation de l'industrie, les villes intelligentes, les voitures autonomes, le calcul haute performance (HPC), l'internet des objets (IoT), la défense et le spatial. Maîtriser la chaîne de valeur de l'électronique devient donc un enjeu majeur et stratégique pour l'économie et la société. C'est fort de ce constat que le gouvernement a fait de l'électronique un choix prioritaire dans sa stratégie nationale de recherche et de développement technologique et industriel. Il a notamment confié au CNRS et au CEA le pilotage du PEPR (Programmes et Equipements Prioritaires de Recherche) Électronique visant à générer des innovations pour accélérer la croissance et relocaliser certaines productions en France ou en Europe grâce à des solutions technologiques nouvelles et ce, de manière durable sur le plan économique comme sur le plan écologique.

<figure><img src="image_104.png" /></figure>

## Opton Laser International

Opton Laser International est un distributeur Français de produits de haute technologie opérant dans le domaine de la Photonique. Depuis plus de 30 ans, Opton Laser s'est imposé comme un fournisseur clé du marché de la photonique, offrant une riche sélection de produits innovants au sein d'une organisation totalement indépendante, flexible et réactive. Située en région parisienne, au cœur de « l'optics valley », Opton Laser a acquis une réputation internationale de compétence et de stabilité. Des partenariats à long terme avec des leaders du marché ont renforcé sa position sur le marché français, notamment dans les domaines des lasers, de la spectroscopie, de l'instrumentation laser, des composants optiques et opto-mécaniques et du micro-positionnement. Opton Laser propose une expérience client à 360°, de l'avant à l'après-vente.

<figure><img src="image_105.png" /></figure>

## MIPS: Pôle Mathématiques, Informatique, Physique, Systèmes (MIPS)

Le pole MIPS constitue un lieu de mise en synergie des structures de recherche et de concertation scientifique en vue de développer des actions communes entre les membres de l'I-SITE de l'Université de Montpellier. Ce pôle est constitué à 85% des forces du département MIPS de l'Université de Montpellier, et pour 15% d'unités de recherche en lien avec des organismes de recherche avec l'Inria, Institut Agro, l'IRD, l'Inrae, le Cirad.

<figure><img src="image_106.png" /></figure>

## HEF Photonics

HEF PHOTONICS assure la réalisation de composants dédiés à l'optique photonique, sur tout le spectre de l'UV à l'IR, depuis la découpe et le polissage de substrats aux couches minces associées par dépôts PVD.

<figure><img src="image_107.png" /></figure>
RIBER

## RIBER

RIBER S.A. est le premier fournisseur mondial de produits d'épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) et de services connexes pour la recherche sur les semi-conducteurs composés et le secteur industriel. Les équipements MBE de Riber sont les outils les plus polyvalents et les plus précis pour déposer de très fines couches de matériaux sur des substrats avec un contrôle très élevé. La technologie MBE est utilisée pour concevoir et créer les structures de semi-conducteurs les plus avancées pour la fabrication d'une large gamme de nouveaux dispositifs, avec les meilleures performances. RIBER fournit des machines MBE dans le monde entier à de grandes universités, à des instituts de science des matériaux, à des fonderies de semi-conducteurs composés ou à des fournisseurs d'epiwafers. RIBER est incontestablement le leader mondial dans ce domaine. Expert dans la technologie de l'ultravide depuis sa création en 1964, RIBER s'est orienté vers l'épitaxie par faisceaux moléculaires en 1977, et a développé depuis une large gamme d'outils MBE de recherche ou de production, de composants MBE et de procédés, afin de répondre aux demandes croissantes dans différents domaines tels que les communications de données, les lasers, la 5G/6G, les VCSELs, la photonique, les capteurs, la détection 3D, les écrans,... La haute performance et la grande polyvalence des outils MBE de RIBER sont parfaitement adaptées à la créativité des chercheurs et des industriels qui travaillent chaque jour pour l'avenir et l'innovation. Notre seule limite est leur imagination.

## MUSE

Labélisé en 2017 et pérennisé en 2022, le programme d'excellence I-SITE mobilise les forces de 16 institutions vers une ambition commune : le rayonnement à Montpellier d'une université thématique de recherche intensive, internationalement reconnue pour son impact sur les enjeux de société que sont la sécurité alimentaire, la protection de l'environnement, et la santé humaine. En 5 ans de période probatoire, des transformations importantes ont été enclenchées dans chacun des grands champs de la vie académique. Ces actions, jusqu'ici portées dans le cadre de la Fondation Montpellier Université d'excellence, sont désormais pleinement intégrées aux activités des directions et services de l'Université de Montpellier.

## Laboratoire Charles Coulomb (L2C)

Laboratoire de Physique pluri-thématique ouvert aux interfaces, le L2C est l'Unité Mixte de Recherche (UMR) 5221 du CNRS et de l'Université Montpellier créé le 1er janvier 2011. Le L2C a l'Institut de Physique (INP) du CNRS comme Institut principal et l'Institut de Chimie (INC) comme institut secondaire. L'Unité rassemble plus d'une centaine de chercheurs en Physique, près de 50 personnels d'accompagnement et de soutien à la recherche, et environ 80 personnels non-permanents (émérites, doctorants, post-doctorants...). Le Laboratoire présente un large éventail de thématiques allant de la Physique théorique la plus mathématique à la Physico-Chimie et la Biophysique, avec un socle de recherches théoriques et expérimentales consacrées à la Matière Condensée et aux Nanosciences. Ses recherches se situent souvent aux interfaces avec la Chimie, les Sciences du Vivant et l'Électronique. Le L2C dispose d'un ensemble de techniques expérimentales de haut niveau, en particulier une plateforme de spectroscopies optiques, unique en termes de performances, dans le contexte national. Laboratoire de recherche fondamentale, le L2C est néanmoins au cœur de nombreux partenariats industriels et recherches à visées applicatives conduisant au dépôt de brevets, voire à la création de startups.

<figure><img src="image_108.png" /></figure>

MONTPELLIER UNIVERSITÉ D'EXCELLENCE

MUSE

<figure><img src="image_109.png" /></figure>

<figure><img src="image_110.png" /></figure>

<figure><img src="image_111.png" /></figure>

<figure><img src="image_112.png" /></figure>
## IES: Institut d'Electronique et Systèmes

L'IES a été créé le 1er janvier 2007, sa constitution résulte de la fusion de deux UMR CNRS-UM2 (le CEM2 et le LAIN) et d'une équipe associée de l'UM2 (le LEM). L'Institut d'Electronique et des Systèmes est reconnu aujourd'hui au niveau mondial pour son expertise dans 4 thématiques de recherche : Infrarouge, Fiabilité, Capteurs et TeraHertz. 220 collaborateurs travaillent à l'IES. L'institut est organisé en 3 départements de recherche et oriente sa stratégie essentiellement vers les évolutions scientifiques et techniques des composants et systèmes. Les recherches menées au sein de l'IES ont pour finalité le développement des solutions innovantes pour l'observation et l'analyse des phénomènes physiques qui nous entourent et de participer ainsi à la résolution des enjeux sociétaux actuels (énergie, eau, alimentation, santé, urbanisme, sécurité, évolution climatique, pollution, etc.)

## UM: Université de Montpellier

L'Université de Montpellier est un établissement public expérimental (EPE), jouissant de la personnalité morale, de l'autonomie pédagogique, scientifique, administrative et financière. Dirigée par un président élu au sein de son Conseil d'Administration, elle est constituée d'organes de gouvernance, de composantes, de directions et de services centraux. L'Université détermine sa politique pédagogique et scientifique dans le cadre des règlements et de ses engagements contractuels. De l'exploration spatiale à la robotique en passant par l'ingénierie écologique ou les maladies chroniques, les chercheurs de l'UM inventent des solutions pour demain, au service de l'Homme et de son environnement. Une recherche dynamique, menée en étroite collaboration avec les organismes de recherche et bénéficiant de plateformes technologiques de haut niveau pour répondre aux besoins de la société du XXIème siècle. Une recherche de pointe, que l'UM s'attache à valoriser en tissant des liens étroits avec les industries implantées dans la région, notamment dans le secteur biomédical et des nouvelles technologies.

## CNRS: Centre National de la Recherche Scientifique

La mission du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) est de mobiliser toutes les sciences pour affronter les défis du monde contemporain: "Identifier, effectuer ou faire effectuer toutes les recherches présentant un intérêt pour la science ainsi que pour le progrès technologique, social et culturel du pays."