Tri de photons par nanostructuration pour la détection infrarouge – POSEIDONS

De nombreuses applications, telles que la détection de molécules ou l'imagerie infrarouge ont un besoin crucial de détecteurs quantiques infrarouges multi-bandes efficaces fonctionnant de 8 µm à 14 µm. Néanmoins, une brique technologique fondamental reste encore indisponible dans cette gamme spectrale : la colorisation des pixels. En effet, les filtres de taille identique au pixel, généralement des filtres de Bragg, restent difficiles à concevoir et à produire. De plus, les détecteurs multi-bandes reposent soit sur des pixels individuellement colorés sur un seul détecteur, soit sur une combinaison de plusieurs détecteurs et de filtres dichroïques. Dans le premier cas, la moitié du flux photonique entrant, qui est déjà faible au départ (75 % pour un détecteur à 4 bandes) est intrinsèquement sacrifié. Dans le second cas, c’est la compacité du détecteur qui est sacrifiée, alors même que la complexité de sa conception explose.

La nanostructuration des photodétecteurs a récemment offert une approche innovante pour résoudre simultanément ces deux problèmes en produisant la fonction de tri des photons. L'idée centrale est de fonctionnaliser chaque pixel individuellement avec une nanostructure métallique de dimension inférieur à la longueur d'onde. Dans leur bande spectrale de résonance, les nano-antennes collectent la lumière incidente sur une surface plus grande que leur surface géométrique et la localisent à différents endroits à l'intérieur du pixel en fonction de leur énergie. Ainsi, en isolant les différentes localisations de concentration de lumière, chaque pixel individuel peut générer plusieurs photocourants correspondant aux différentes bandes spectrales.

La réalisation et la caractérisation d'un tel photodétecteur à tri de photons est l'objectif principal et de ce projet. Dans l'optique d'une future imagerie infrarouge bi-spectrale, nous utiliserons deux concepts complémentaires : la structure "nano Fabry-Perot couplée" (nFPc), qui est une nouvelle nanostructure multi-résonante, et un détecteur à cascade quantique (QCD) diagonal de quelques périodes.

Le QCD diagonal est la jonction absorbante le plus approprié pour la photodétection bi-spectrale nanostructurée. En effet, tout en ne nécessitant aucune passivation de surface (il s'agit d'un détecteur à puits quantiques inter-sous-bandes), la conception diagonale permet de relever plusieurs défis auxquels sont confrontés les QWIP. Premièrement, dans cette structure asymétrique, un électron peut être promu vers un doublet de puits quantiques couplés par effet tunnel, assurant une absorption bi-spectrale efficace et adaptable. Deuxièmement, ce QCD est une technologie mature et bien établie dont les propriétés de bruit ne sont pas limitées par un courant d'obscurité activé par la température.

Le résonateur appelé "nano résonateurs Fabry-Perot couplés" (nFPc) a été récemment développé et breveté par le coordinateur. Il est basé sur l'excitation de « dark-mode » à haut facteur de qualité dans des cavités Fabry-Perot couplées. Il présente plusieurs propriétés intéressantes telles que : une absorption totale avec une cavité épaisse (300-1000nm) qui peut contenir 3-10 périodes QCD et une concentration de champ dépendant de la longueur d'onde qui permet le triage des photons.

Dans le projet, ces nano résonateurs Fabry-Perot couplés seront appliqués à la détection et au tri de photons dans le LWIR (8-12 µm) dans un détecteur à cascade quantique diagonal (QCD). Le premier objectif sera de démontrer la détection bi-spectrale et une augmentation d'au moins 10K du TBLIP du QCD nanostructuré. Le deuxième objectif sera la démonstration et la caractérisation de la fonction de tri des photons avec une séparation spectrale d'au moins 1 µm. Le troisième objectif est d'anticiper les améliorations technologiques qui permettraient d'accroître l'applicabilité du dispositif dans les futurs FPA.