Dispositifs optoélectroniques basés sur des effets multi-corps – DOMANY

Les fonctions analytiques et numériques des dispositifs à semiconducteur sont actuellement régies par le transport de charge à travers un système de matériaux artificiels avec une structure électronique bien définie. Même si une multitude d'électrons est concernée dans le fonctionnement du dispositif, ses caractéristiques fondamentales sont des propriétés des électrons uniques. Par exemple, l’émission de photons correspond aux transitions entre états électroniques du système. Dans les dispositifs optoélectroniques fonctionnant dans l’infrarouge moyen et lointain, l’émission radiative est caractérisée par un temps d’émission spontanée extrêmement long (> 100ns), qui empêche la réalisation de diodes émettrices de lumière efficaces. Dans ce projet nous proposons de réaliser des nouveaux dispositifs optoélectroniques, dont les performances ne dépendent pas des propriétés d'un seul électron, mais reposent plutôt sur l'ensemble des porteurs en interaction.
Nous avons récemment démontré que les propriétés optiques d'un gaz d'électrons dense ne reflètent pas le spectre d'énergie, mais dépendent de l'interaction coulombienne entre électrons. Le spectre d'absorption d'un puits quantique de semiconducteur avec plusieurs niveaux d'énergie occupés est constitué d’un unique pic d'absorption à une énergie complètement différente des énergies de transition. Cette résonance optique, qui concentre toute l'interaction avec la lumière, correspond à une excitation multi-corps du système, le plasmon multisousbande, dans lequel l'interaction dipôle-dipôle verrouille en phase l’ensemble des transitions électroniques permises entre états confinés.
Dans ce projet, les propriétés des plasmons multisousbandes seront exploitées pour l'optoélectronique dans le moyen et lointain infrarouge. Tout d’abord nous allons exploiter le fait que la permittivité des plasmons multisousbandes dépend du dopage et de la taille du puits quantique, ce qui les rend des matériaux aux propriétés diélectriques ad hoc (des métamatériaux). Nous allons donc les utiliser pour concevoir des guides d'ondes tout-diélectrique pour les lasers à cascade quantique. Une deuxième application sera la réalisation d’absorbeurs infrarouges efficaces.
La deuxième partie du projet repose sur une autre propriété fondamentale des excitations électroniques collectives : leur nature superradiante. Le plasmon multisousbande est en effet l'état brillant issu de la superposition cohérente de plusieurs excitations électroniques. Comme un état superradiant est associé à une polarisation macroscopique sur une région de l'espace, un moyen très intéressant de caractériser cet état sera son observation à l'aide de la spectroscopie par perte d'énergie. A cause de sa nature superradiante, le plasmon multisousbande a une durée de vie radiative de l'ordre de quelques centaines de fs, donc beaucoup plus courte que le temps typique d’émission spontanée. On exploitera cette propriété afin de concevoir et réaliser deux catégories d'émetteurs optoélectroniques infrarouges:
- Sources incandescentes rapides et accordables
- Emetteurs superradiants
Le premier dispositif est basé sur la même géométrie qu’un transistor à effet de champ : le gaz d'électrons est excité par un courant source-drain, tandis que la densité électronique peut être pilotée par une tension de grille. Ce type de dispositif sera également étudié en collaboration avec STMicroelectronics, pour voir si des signaux optiques infrarouges peuvent être observés dans les transistors FDSOI et CMOS à l’état de l’art. Pour tirer pleinement parti du caractère superradiant des plasmons multisousbandes, une nouvelle génération de dispositifs sera également réalisée, utilisant l'ingénierie quantique pour une excitation résonante des plasmons.