Etude par spectroscopie TéraHertz de la dynamique des porteurs et des propriétés électriques des semiconducteurs à large bande interdite – CELESTA

Les semi-conducteurs à large bande interdite, tels que l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO) ou le TiO2, offrent propriétés optoélectroniques particulièrement intéressantes pour de nombreux domaines. Ils servent, par exemple, à faire des électrodes transparentes dans des applications liées à l’affichage (écrans multimédia). Ils peuvent également servir de catalyseur dans le traitement d’eau ou air pollué. Récemment, des couches minces nanostructurées ont été employées pour augmenter l’efficacité de cellules photovoltaïques et de diodes électroluminescentes, ainsi que celle de la cinétique de la dépollution de l’eau. Dans toutes ces applications, les propriétés électriques de la couche, et plus particulièrement la dynamique des porteurs libres, doivent être mesurées précisément, en fonction du mode de fabrication et donc de la structure microscopique et de la composition du matériau.
Dans ce projet Franco-Taïwanais, nous ciblons deux types d’application :
- l’intérêt de l’ITO (3.7~3.9 eV) et du GaN (3.4 eV) réside dans leur bonne conductivité électrique associée à leur transparence pour les cellules photovoltaïques, les écrans multimédia, ou les composants THz.
- avec le TiO2, nous voulons étudier la production de porteurs libres pour comprendre les procédés mis en jeu dans la catalyse de l’eau.
Pour commencer, des couches minces de semi-conducteur seront fabriquées. Afin d’améliorer leur efficacité, nous concevrons également des couches nanostructurées. La conductivité de ces échantillons sera ensuite caractérisée par différentes techniques de spectroscopie térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS). En effet, dans les matériaux solides, la transmission et la réflexion des ondes THz sont extrêmement sensibles à la densité des porteurs libres. Dans un premier temps, les échantillons seront mesurés sur un banc de spectroscopie THz-TDS très large bande pour déterminer leur transmission et leurs constantes optiques complexes de 0.15 THz à 15 THz. Dans un second temps, nous exciterons optiquement les semi-conducteurs en les pompant près de leur gap (dans ces matériaux, cela correspond aux longueurs d’onde UV) et en observant l’évolution de leur transmission dans le THz. Cette technique de pompe UV / sonde THz résolue en temps devrait nous permettre d’étudier la dynamique des porteurs photo-générés avec une précision de l'ordre de la picoseconde. Finalement, dans une expérience de catalyse de l’eau, nous caractériserons la couche d’eau en contact avec du TiO2 excité par UV à l’aide d’un system ATR (réflexion totale atténuée) THz TDS.
Deux groupes de recherche, taïwanais et français, travailleront ensemble pour assurer le succès du projet. A Taïwan, le laboratoire NCTU Green Photonics de l’Université Nationale Chiao Tung (NCTU) concevra et réalisera les échantillons. Le laboratoire Ultrafast and THz Optical Physics et le laboratoire Metamaterials and Nanodevices de l’Université Nationale Tsing Hua (NTHU), caractériseront les échantillons grâce à un système de THz-TDS très large bande basé sur la génération et la détection THz par claquage dans un gaz. Des mesures de conductivité THz complémentaires (polarisation, diffusion,…) seront effectuées en France à l’IMEP-LAHC (Université Savoie Mont Blanc). L’équipe française réalisera également les mesures pompe-sonde UV-THz pour étudier la dynamique des porteurs libres. Finalement, elle étudiera l’injection d’électrons dans l’eau par excitation optique du TiO2. Le projet bénéficiera ainsi de l’expertise de deux équipes taïwanaise et françaises, menées respectivement par Pr. Ci-Ling Pan et Pr. Jean-Louis Coutaz.
Ce projet peut avoir un réel impact sur les composants optoélectroniques liés à l’affichage puisque les semi-conducteurs à large bande interdite sont des matériaux clé dans ces applications. De plus, les potentielles découvertes faites sur l’injection de porteurs dans l’eau induite par UV rendent le projet intéressant pour des applications dans l’environnement.