PhD

Applications are invited for a three-year PhD position at University Paris Saclay (France), in the framework of project BIRD (Broadband mid-infrared semiconductor modulators), that is funded by the French ANR.  
Applications  relying  on  mid-infrared  radiation  (MIR,     =  3-12 μm) have progressed at a rapid pace recently, stimulated by scientific and technological breakthroughs. We can name MIR cameras, that have enabled thermal imaging. And the invention of the quantum cascade laser (QCL), another milestone, that has enabled a vast range of applications in spectroscopy, metrology, medicine.  
All the recent breakthrough advances stemmed from the development of transformative optical components. In addition to the generation and detection of light, a key functionality for most photonics systems is the possibility to  electrically  control  the  amplitude,  phase,  and  polarization  of  a  laser  beam  up  to  ultrashort  time  scales.  
Fast amplitude and phase modulation are in fact essential for a large number of applications. We can name laser stabilization, coherent detection, spectroscopy and sensing, optical communications.
Contrary to the visible and near-IR range, in the MIR range broadband modulators with modulation bandwidth of
several tens of GHz do not exist, which hampers the progress of MIR photonics.  
 
The  PhD  project  we  propose  will  evolve  in  this  context,  with  the  goal  of  demonstrating  a  power-efficient, broadband (up to 40 GHz bandwidth) and integrated MIR amplitude modulator, that is capable of addressing the needs of emerging MIR photonics applications/platforms. The potential of the developed modulators for spectroscopic/sensing applications is an important element and it will be validated - through a collaboration - by setting up a dedicated high resolution-spectroscopy experiment.  
The  workflow  during  the  project  will  roughly  follow  the  following  phases.  (a)  Device  design  and  conception, especially  of  the  active  region,  that  will  rely  on  intersubband  absorption  in  a  system  of  coupled  semiconductor quantum  wells  [1].  Operation  will  be  optimized  for  the  9.5-10.5μm  wavelength  range,  in  the  center  of  an atmospheric transparency  region, therefore  ideal  for the spectroscopy  experiments  and  free-space  optical communications.  (b)  Cleanroom  fabrication,  relying  on  the  state-of-art  facility  that  is  hosted  on  C2N  premises (training will be provided by the host team). (c) Device opto-electronic characterizations in DC, using a setup that permits  to  characterize  integrated  mid-IR  devices,  and  subsequently  in  the  RF  domain  using  ultra-high  speed detectors [2].   

Consortium: This project will be undertaken in collaboration with Laboratoire IEMN (Lille-France) and Laboratoire LPL (Villetaneuse-France).

Acquired know-how: quantum devices physics and technology; electromagnetic modeling; cleanroom fabrication; laser physics ; optoelectronic characterization techniques; quantum design; RF / microwave technology.

Applicant  Profile:  The  thesis  is  experimental,  but  with  an  important  part  devoted  to  quantum/electromagnetic simulations towards device design and development. The successful applicant will be an energetic individual with interest  in  semiconductor  physics.  She/he  will  have  completed  an  undergraduate  program  in  Physics,  Optics  or Engineering with very good marks. The project will benefit from collaborations with two major French labs, being funded by a national ANR program.   

Details:

The position is available immediately, and the starting date must be between Octobre 2021/March 2022.
Applications, including a cover letter and a CV, should be sent to Adel Bousseksou (adel.bousseksou@c2n.upsaclay.fr) and Raffaele Colombelli (Email: raffaele.colombelli@c2n.upsaclay.fr), preferably by e-mail.  
 
Relevant References:
[1] "Fast amplitude modulation up to 1.5 GHz of mid-IR free-space beams at room-temperature", S. Pirotta, NL Tran, G. Biasiol,
A. Jollivet, P. Crozat, JM Manceau, A. Bousseksou, R. Colombelli, Nat. Communications 12, Article number: 799 (2021).   
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20710-2   
[2]  “Ultrafast quantum well photodetectors operating at 10μm  with  flat  frequency  response  up  to  70GHz  at  room
temperature”, M. Hakl, et al., ACS Photonics 8, 464 (2021). https://arxiv.org/abs/2007.00299

PhD

Description du sujet de thèse

La filière nitrure de gallium (GaN) est une filière stratégique car elle permet notamment d’améliorer la puissance et le rendement des systèmes de radars à antennes actives et des systèmes de guerre électronique. Cette  technologie  permettra  de  couvrir  la  gamme d’ondes millimétriques jusqu’à une fréquence d’opération de 94 GHz, et ouvrira donc un champ d’applications de fonctionnalités nouvelles sans précédent aussi bien dans le domaine militaire (tels que les radars à antenne active fonctionnant sur les bandes de fréquence 8-40 GHz pour la  détection  de  cibles),  que  pour  le  civil  tels  que  les  futures  télécommunications  5G. Il est important de noter qu’aucune technologie GaN délivrant de forte puissance au-delà de 40 GHz n’est disponible actuellement au niveau mondial. Les principales limitations sont les rendements en puissance ajoutée (PAE), la maitrise des effets de pièges ainsi que la fiabilité de ce type de composants ultracourts à grille sub-150 nm.  Ce projet intitulé GREAT («High frequency  GaN  electronic») rassemble  des  laboratoires académiques  et  deux  partenaires industriels (UMS et SOITEC) et contribuera donc à l’émergence d’une nouvelle technologie dans ce domaine stratégique.

Le sujet de cette thèse s’inscrit dans ce contexte et capitalise sur les résultats d’études préliminaires notamment au sein du réseau national Labex GaNeXT et sur les acquis méthodologiques de l’ILV à Versailles (Institut Lavoisier de Versailles), laboratoire où se déroulera en grande partie cette thèse. Elle se déroulera en cotutelle avec l’IEMN à Lille (fabrication de structures et composants avec/sans stress électrique, caractérisation électriques, préparation de lames FIB) et en collaboration avec le C2N à Palaiseau (préparation de lames FIB, TEM/STEM). Cette thèse est dédiée à l’analyse des matériaux et composants générés dans le cadre du projet GREAT. Elle aura pour objectif de développer une nouvelle méthodologie d’analyse chimique et structurale robuste au cœur de laquelle se trouve la spectroscopie Auger en sonde localisée (5 équipements en France). Les travaux se focaliseront, en particulier, sur l’analyse des croissances, les interfaces métal / semi-conducteur, passivation / semi-conducteur et entre les couches de passivation, et ce afin d’améliorer les performances électriques de ces dispositifs. En effet, l’essentiel des problématiques liées aux mécanismes de dégradation des transistors GaN réside dans la dégradation des interfaces ayant subi un pic de champ électrique et/ou un pic de température.  De même, les courants de fuite ainsi que les mécanismes de piégeage localisés en surface des composants sont directement liés aux états chimiques situés à l’interface passivation / semiconducteur. Le challenge réside dans l’accèsaux différentes zones critiques qui influencent la réponse électrique du composant et ses performances qui est essentiel pour mieux comprendre la physico-chimie des interfaces de ces composants.

Le programme de cette thèse se décline en 4 axes de recherche :

1-Développement d’une méthode de préparation des échantillons pour accéder aux zones d’intérêt en préservant leur intégrité chimique et structurale. Différentes méthodes de préparation seront évaluées pour accéder aux interfaces depuis la surface et en accès direct en section. Un travail important sera réalisé sur la préparation FIB.

2-Calibration de l’analyse chimique Auger (quantification des résultats et détermination des environnement chimiques). Cette calibration sera réalisée par une approche multi-techniques (XPS, SIMS, STEM-EDS...)

3-Détermination des capacités et de la sensibilité de l’Auger pour renseigner sur la chimie des surfaces et interfaces et corrélation avec les mesures électriques. Il s’agira ici d’éprouver cette méthodologie sur des cas concrets constitués de structures tests définies (variantes technologiques et différents stress électriques).

4-Application de cette technique pour l’aide à l’étude de dérive de la filière de composants GaN sur des cas réels issus du projet GREAT et du partenaire industriel. Les deux premiers axes d’étude sont essentiels pour assurer la fiabilité des données obtenues avant d’employer l’Auger en sonde localisée sur des composants tests et réels.

• Compétences à acquérir pendant la thèse :

- Théorie et pratique des spectroscopies électroniques Auger et XPS-Théorie et exploitation des analyses des données SIMS

- Interaction faisceau d’ions /matières (préparation des sections transverses par de lames FIB et polisseur ionique)

- Théorie et exploitation des analyses TEM et STEM

- Caractérisations électriques de composants (mesures en régime statique et dynamique des transistors : IV DC et pulsé, paramètres S, puissance, gain ; PAE)

-Gestion de projet et restitution des résultats à l’oral et à l’écrit (réunions du projet et présentations lors de conférences)

• Compétences nécessaires :

-Chimie analytique-Physico-chimie des matériaux

-Microélectronique

-Maîtrise de l’anglais

Au-delà de ces compétences scientifiques, le(la) doctorant(e) devra faire preuve d’esprit de synthèse, de rigueur, d’organisation, d'une forte aptitude au travail d'équipe. Il (elle) sera un lien essentiel entre collaborateurs académiques et partenaires industriel de ce projet.

Contexte de travail

Cette thèse se déroulera en cotutelle entre l’ILV (Université Paris-Saclay) et l’IEMN, avec pour autre partenaire académique privilégié le C2N et 2 partenaires industriels. La thèse se déroulera principalement à l’ILV mais le (la) doctorant(e) sera amené(e) à se déplacer entre ces trois laboratoires.

ILV, l’Institut Lavoisier de Versailles est une Unité Mixte de Recherche UVSQ-CNRS (Université de Versailles-Saint Quentin). Les effectifs du laboratoire sont de 100 personnes divisés sur 3 équipes de recherche :  54 personnels permanents (10 chercheurs CNRS, 8 ITA CNRS, 33 enseignants-chercheurs UVSQ, 3 BIATSS UVSQ, 1DR CNRS émérite, 1 DR invité, 4 doctorants, post-doctorants et ATER). Cette UMR se caractérise par sa pluridisciplinarité, explorant des thématiques très diverses, qui vont de la chimie des matériaux moléculaires ou poreux (équipe MIM_Molécules, Interactions et Matériaux), à la chimie organique de synthèse (équipe SORG_Synthèse Organique), en passant par l’électrochimie interfaciale (équipe EPI_Électrochimie Physicochimie aux Interfaces). Trois mots clés caractérisent donc l’unité :  synthèse (matériaux semi-conducteurs, organique, poreux, inorganiques moléculaires...), propriétés (physico-chimiques, biologiques, catalytiques...) et analyse. Cette thèse se déroulera au sein de l’équipe EPI et s’appuiera sur les moyens de caractérisation du CEFS2 (Centre d’Etude et de Formation en Spectroscopies électroniques de Surfaces), rattaché au groupe.

IEMN, l’Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie regroupe dans une structure unique l'essentiel de la recherche régionale dans un vaste domaine scientifique allant des nanosciences à l'instrumentation. Faire travailler ensemble des chercheurs ayant des cultures, des démarches et des motivations différentes, construire une continuité de connaissances allant des problèmes fondamentaux aux applications fait aujourd'hui notre spécificité. Aujourd'hui, près de 500 personnes, dont une centaine de chercheurs internationaux, travaillent ensemble. Le cœur de nos activités est centré sur les micros et nanotechnologies et leurs applications dans les domaines de l'information, la communication, les transports et la santé. Nos chercheurs ont à leur disposition des moyens expérimentaux exceptionnels, en particulier des centrales de technologie et de caractérisation dont les possibilités et les performances se situent au meilleur niveau européen.  L'IEMN fait partie du réseau des grandes centrales de technologie RENATECH. Notre politique scientifique consiste non seulement à l'approfondissement des connaissances mais  également  à  l'établissement  d'un  partenariat  privilégié  avec  des  industriels  leaders  sur leurs  marchés  et  au  développement  d'un  partenariat  de  proximité  avec  les  ETI  et  PME régionales et les jeunes pousses issues de l'IEMN.
C2N Le Centre des Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) est une unité de recherche commune entre le CNRS et l'Université Paris-Saclay, qui compte plus de 380 membres. Né de la fusion du Laboratoire   de   Photonique   et   de   Nanostructures (LPN) et   de   l'Institut   d'Electronique Fondamentale (IEF), le laboratoire a déménagé dans un nouveau bâtiment au cœur du Campus Paris-Saclay en 2018.Sa création s'inscrit dans une perspective ambitieuse. Le laboratoire bénéficie de la localisation très favorable du Plateau de Saclay, pour des échanges avec les laboratoires académiques et avec la R&D du pôle industriel local. Il rassemble des forces critiques sur des axes de recherche clés et répond à deux objectifs principaux indissociables : (i) créer un laboratoire phare pour la recherche en nanosciences et nanotechnologies ; (ii) doter le plateau de Saclay et la région Ile-de-France d'une grande infrastructure technologique, ouverte à tous les acteurs académiques et industriels du domaine, notamment ceux de la région parisienne. Le C2N comprend quatre départements de recherche :  Photonique, Nanoélectronique, Matériaux, Microsystèmes et Nanobiofluidique. Explorant la physique et la technologie à l'échelle nanométrique, le laboratoire combine recherche fondamentale et appliquée pour des applications à court ou moyen terme.

Contraintes et risques

Afin de bénéficier des compétences et savoir-faire des aux 3 laboratoires, ILV, IEMN et C2N, des déplacements sont à prévoir entre ces 3 sites. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une convention entre DGA et CNRS sur un projet de recherche qui inclut 2 partenaires industriels. 

Des règles de confidentialité seront donc à respecter.

Salaire :

2 135,00 € brut mensuel

PhD

Centre de Nanosciences et nanotechnologies

 UMR 9001 du CNRS,

université Paris-Sud, université Paris-Saclay

91 405 Orsay – France

  

PhD research proposal

All-Dielectric Metamaterials for Terahertz metadevices

 Éric Akmansoy 

Département Photonique

__________________ 

 

General framework

Metamaterials have opened a new field in physics and engineering. Indeed, these artificial structured materials give rise to unnatural fascinating phenomena such as negative index, sub-wavelength focusing and cloaking. Metamaterials also exhibit near-zero refractive index [1]. These open a broad range of applications, from the microwave to the optical frequency domain. Metamaterials have now evolved towards the implementation of optical components[2]. 

We consider All-Dielectric Metamaterials which are the promising alternative to metallic metamaterials, because they do not suffer from ohmic losses and consequently benefit of low energy dissipation and because they are of simple geometry. They consist of high permittivity dielectric resonators involving Mie resonances. We have experimentally demonstrated negative effective permeability and/or permittivity by the means of all-dielectric metamaterials [3]. Previously, we have also demonstrated a negative index all-dielectric metamaterial [4]. Recently, we have numerically demonstrated a metadevice, namely, a metalens that focuses an incident plane wave, is less than one and a half wavelength thick. Its focal length is only a few wavelength and the spot in the focal plane is diffraction - limited.[5]. We also study role of the coupling of the modes of Mie resonances in an all-dielectric metamaterial so as to achieve negative index at terahertz frequencies (see fig. 1)[6].

Work Plan

During this thesis, all dielectric metamaterials will be designed, fabricated and characterized for the terahertz range. Negative index will be studied in this frequency domain, which is a challenge. Various devices which will be investigated such as flat lens, gradient devices, etc. This work takes place within a group of scientists of different disciplines (chemists, material scientists, physicists). 

 

 

Fig. 1: Spatial mode coupling : frequency of the first two modes of Mie resonances in function of the distance  between two resonators which is half the lattice period . The shaded area corresponds to negative value of the effective index . It evidences the mode degeneracy [6].

Bibliography

[1]    I. Liberal and N. Engheta, “Near-zero refractive index photonics,”  Nature Photonics, vol. 11, pp. 149 EP –, 03 2017.

[2]    N. I. Zheludev and Y. S. Kivshar, “From metamaterials to metadevices,”  Nat Mater, vol. 11, pp. 917–924, 11 2012.

[3]    T. Lepetit, E. Akmansoy, and J.-P. Ganne, “Experimental evidence of resonant effective permittivity in a dielectric metamaterial,” Journal of Applied Physics, vol. 109, no. 2, p. 023115, 2011.

[4]    T. Lepetit, É. Akmansoy, and J.-P. Ganne, “Experimental measurement of negative index in an all-dielectric metamaterial,” Applied Physics Letters, vol. 95, no. 12, p. 121101 (, 2009.

[5]    F. Gaufillet, S. Marcellin, and E. Akmansoy, “Dielectric metamaterial-based gradient index lens in the terahertz frequency range,” IEEE J Sel Top Quant, vol. 10. 1109/JSTQE. 2016. 2633825, 2017.

[6]    S. Marcellin and É. Akmansoy, “Negative index and mode coupling in all-dielectric metamaterials at terahertz frequencies,” in 2015 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials), pp. 4–6, Sept 2015.

PhD

  

Centre de Nanosciences et nanotechnologies

UMR 9001 du CNRS,

université Paris-Sud, université Paris-Saclay

91 405 Orsay – France

  

PhD research proposal

Graded Photonic Crystals Devices for Graded Index Optics

 Éric Akmansoy 

Département Photonique

__________________ 

 

General framework

On the one hand, Graded Photonic Crystals (GPC) allow to efficiently control the flow of light thanks to the shape of their photonic bands, which we verified by demonstrating a “photonic mirage” at wavelength scale[1]. In the other hand, GRaded INdex (GRIN) optics is undergoing a renewal because it allows to downsize optical systems, opening a new way to optical design[2]. But GRIN optics was limited by a lack of easy to implement fabrication techniques. Nanotechnology enables to efficiently fabricate photonic crystals, which we will implement to fabricate GPC for GRIN optics. 

We are designing, numerically simulating and characterising GPC devices (see fig.1)[3, 4]. More specifically, we have conceived a GRIN flat lens which we have characterised in the microwave[5]. Recently, we have designed and simulated a Luneburg lens[6] (see fig.1). We conceive thin and thick flat GRIN lenses[7]. For the sake, we engineer the equi-frequency curves which convey the dispersion properties of photonic crystals. Our aim is to go further up to the optical domain. The experimental evidence of such devices is an end in itself because it is a technological challenge to fabricate such GPC. Nevertheless, we will investigate the great variety of applications of GPC flat lens, which concerns Photonic Integrated Circuits, Lab on Chip, optical pumping of organic materials, OLED, biophotonics, fluorescence of cells, etc.

PhD work plan

GPC devices will be designed, fabricated and characterised at the Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N). This work will concern numerical simulation and optical design, nanotechnological processes and optical characterisation. These devices will operate at telecommunication wavelengths (1,55 μm). The Silicium On Insulator (SOI) channel of the C2N will be involved, because “state of the art" photonic crystal -based devices have already been fabricated in its clean-room [8]. These devices require the technological mastery of the position, of the size and of the shape of the patterns, which is adapted for the realisation of GPC devices. The size of the patterns of these latter is of several tens of nanometers, which will be challenging. The devices will be also characterised at the C2N. GPC devices operating in the near infrared (NIR) spectrum will also investigated (from 1 to 20μm) because, in this domain, lies a lot of molecular signatures, which is fruitful for NIR spectroscopy, chemical sensing, polluant detection, etc. 

      

 

Fig. 1: Right : Focusing by a GPC GRIN flat lens[3] ; left : focusing by a Luneburg lens[6] 

Bibliography

[1]    Éric Akmansoy, Emmanuel Centeno, Kevin Vynck, David Cassagne, and Jean-Michel Lourtioz, Appl. Phys. Lett. 92, 133501 (2008) 

[2]    Predrag Milojkovic, Stefanie Tompkins, Ravindra Athale, Gradient Index Optics, Optical Engineering, November 2013/Vol. 52(11), p. 112101-1 

[3]    F. Gaufillet, É. Akmansoy, Graded photonic crystals for graded index lens, Optics Communications, Volume 285, 2638 (2012). 

[4]    F. Gaufillet, É. Akmansoy, Design of flat graded index lenses using dielectric Graded Photonic Crystals, Optical Materials, Vol. 47, 555-560 (2015) 

[5]    F. Gaufillet and E. Akmansoy. Design and experimental evidence of a flat graded-index photonic crystal lens. Journal of Applied Physics, 114(8) :083105, 2013. 

[6]    F. Gaufillet and E. Akmansoy. Graded photonic crystals for Luneburg lens, IEEE Photonics Journal, vol. 8, 11 (2016) 

[7]    CVI Melles Griot. Gradient-Index Lenses – http://pdf.directindustry.com/pdf/cvi-melles-griot/gradient-index-lenses/12567-66963.html. 

[8]    Z. Han, X. Checoury, D. Néel, S. David, M. El Kurdi, P. Boucaud, Optimized design for ultra-high Q silicon photonic crystal cavities, Optics Communications 283 (21) (2010) 4387 – 4391.