Detecteurs infrarouges à ultra-bas courant d'obscurité intégrés aux méta-materiaux – hoUDINi

Bien que les domaines spectrales du Moyen Infrarouge (MIR) et TeraHertz (3 µm <lambda <300 µm) désormais bénéficient de sources compactes et puissantes de rayonnement, telles les lasers à cascade quantique, au cours des 20 dernières années la performance de détecteurs dans cette gammes n'a pas progressé au rythme de sources. Ce domaine spectral large a de très nombreuses applications, telle la spectroscopie des niveaux de vibration et de rotation des molécules, l'imagerie thermique, monitoring l'environnemental, de l'imagerie médicale et de la sécurité, ... Pourtant, les performances de détecteurs intrinsèquement quantiques opérant dans ce domaine spectral sont limitées par les faibles énergies de photons infrarouges. Ceci à son tour amène l'exigence de fonctionnement à basse température pour diminuer le courant d'obscurité excité thermiquement. <br />
Le projet hoUDINi vise un changement importante dans le domaine de détection infrarouge en exploitant des nouvelles architectures pour les dispositifs avec le potentiel de réduire drastiquement leur courant d’obscurité. Nous allons élaborer des concepts innovants qui nous permettrons d’obtenir des détecteurs avec des sensibilités élevées à haute température, et la possibilité d'intégrer de nouvelles fonctions. Ces objectifs seront atteints avec l'utilisation de nano-résonateurs métalliques inspirées des méta-matériaux, de volumes effectives très sub-longueur d’onde. Dans ces structures, le champ électrique sera confiné dans des régions de dimensions comparables à la longueur d'onde de de Broglie d'électrons dans la structure quantique absorbante. En outre, la collection de photons par détecteur sera améliorée grâce à l'intégration des éléments agissants comme antennes.

La forte réduction du volume de la région d'absorption conduit à un nombre beaucoup plus petit de porteurs dans le dispositif. Nous attendons donc que les géométries proposées donneront accès à un régime où la densité d'énergie photonique par électron devient très élevée. Dans le cas des détecteurs, tels que QWIPs (photo-détecteur infrarouge à puits quantiques), et les CSIP (Photo-transistor Infrarouge Sensible à la Charge) le petit nombre d’électrons entraîne une forte réduction du courant d'obscurité. En même temps le taux de photo-génération peut être maintenu par le confinement électromagnétique accru et la capacité de l'élément d'antenne de récolter des photons sur une surface effective qui est beaucoup plus grande que la surface physique du dispositif. Cela se traduira par une amélioration nette des performances des détecteurs en termes de rapport signal sur bruit,

Les concepts de dispositifs développés par le projet hoUDINi mènera ainsi des détecteurs dont les performances dépasseront l’état de l’art actuel, et mèneront potentiellement à des compteurs de photons uniques dans l’infrarouge. Ces détecteurs seront hautement intégrables, qui pourraient être combinées avec des sources de semi-conducteurs sur puce unique, ouvrant des perspectives pour concevoir des dispositifs optoélectroniques innovantes pour l'infrarouge lointain. Il se agit notamment: de nouvelles sources basée sur la génération non-linéaire du rayonnement infrarouge, des méta-surfaces avec un milieu de gain pour l'amplification du signal infrarouge, des nanolasers...

Au-delà de application optoélectroniques, la fonction de comptage de photons ouvrira le domaine de l’infrarouge à l’optique quantique, avec des nombreuses perspectives scientifiques à long terme. En outre, nos architectures sont très adaptées pour les études fondamentales de couplage ultra-fort lumière-matière à l’échelle nanométrique, ainsi que pour étude des corrélations entre le transport quantique et des états électroniques collectives.