Développement de diodes à avalanche InGaAs/InP reportées sur substrats silicium // Development of InGaAs/InP Avalanche Photodiodes Transferred onto Silicon Substrates

La mesure de distance, l’imagerie 3D et le LIDAR nécessitent des détecteurs fonctionnant dans le proche infrarouge afin d’atteindre de longues portées (> 20 mètres) tout en garantissant la sécurité oculaire des utilisateurs. La technologie la plus répandue repose sur des photodiodes sensibles à l’infrarouge en InGaAs, associées à une couche d’InP permettant l’amplification du signal par effet d’avalanche.

En partenariat avec le laboratoire de nanotechnologie (INL) de l’INSA Lyon, cette thèse a pour objectif de comprendre en détail les limites de la miniaturisation des pixels, l’impact des conditions de croissance des matériaux ainsi que les phénomènes de transport électrique à l’hétérojonction InGaAs/InP. De nouvelles architectures de diodes seront conçues et fabriquées afin d’améliorer leurs performances (taille des pixels, tension de fonctionnement, circuit de quench, etc.). À terme, l’utilisation du report sur des wafers de grand format permettra d’évaluer le changement d’échelle nécessaire à la fabrication de matrices et de barrettes de détecteurs.

Des simulations TCAD seront réalisées afin d’analyser les différents régimes de fonctionnement des diodes (modes APD et SPAD) et de proposer de nouvelles architectures. Ces travaux s’appuieront sur des études matériaux (épitaxie, essais de diffusion), des caractérisations physiques (MEB, XRD, etc.) ainsi que sur le développement de nouveaux empilements technologiques en étroite collaboration avec la salle blanche. Avec le soutien des experts et grâce aux équipements de pointe du LETI, le doctorant mènera les caractérisations électro-optiques des différentes boucles de conception-fabrication afin d’optimiser les structures développées en vue de leur intégration collective sur des substrats de grand format.

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Long-range distance sensing, 3D imaging, and LiDAR systems require photodetectors operating in the near-infrared to achieve detection ranges beyond 20 meters while ensuring eye safety. The most widely used technology relies on InGaAs-based infrared photodiodes coupled with an InP multiplication layer that enables avalanche gain.

In collaboration with the Lyon Institute of Nanotechnology (INL, INSA Lyon), this PhD project aims to gain a detailed understanding of the limits of pixel miniaturization, the impact of material growth conditions, and the carrier transport mechanisms at the InGaAs/InP heterojunction. New diode architectures will be designed and fabricated to improve device performance, including pixel size, operating voltage, and quenching circuitry. In the longer term, heterogeneous integration onto large-format wafers will be investigated to assess the scalability of the technology for the fabrication of detector arrays and linear detector bars.

TCAD simulations will be performed to investigate the different operating regimes of the devices (APD and SPAD modes) and to guide the design of innovative structures. These studies will be combined with materials research (epitaxial growth and diffusion experiments), physical characterization (SEM, XRD, etc.), and the development of advanced fabrication process stacks in close collaboration with the cleanroom facilities. Supported by the expertise and state-of-the-art equipment available at CEA-Leti, the PhD candidate will carry out electro-optical characterization throughout the iterative design–fabrication cycle to optimize the device structures for large-scale integration on large-format substrates.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Optronique (LETI)
Service : Service des Composants pour l’Imagerie
Laboratoire : Laboratoire d’Imagerie sur Silicium
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique et Automatique (EEA)
Directeur de thèse : CALMON Francis
Organisme : INSA Lyon

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Optronique (LETI)
Service : Service des Composants pour l’Imagerie

Master ou école ingénieur matériaux semiconducteur et physique du solide