Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l’OPtoélectronique INfrarouge – COPIN

Les nanocristaux colloïdaux sont une plateforme technologique émergente très prometteuse. Ils sont actuellement utilisés comme émetteurs dans la dernière génération d’écrans. Leur rôle en optoélectronique va se développer ultérieurement, car plusieurs compagnies sont en train d’en diversifier l’utilisation pour d’autres applications, comme la vision nocturne pour la sécurité et la conduite assistée. Dans ce contexte une application intéressante des nanocristaux est la photodétection dans le moyen infrarouge (MIR), où les technologies actuelles restent coûteuses car dominées par les semiconducteurs III-V et II-VI épitaxiés.
L’objectif de ce projet est la réalisation de détecteurs MIR basés sur les nanocristaux colloïdaux, avec des performances qu’à la fin du projet seront comparables à l’état de l’art des technologies actuelles. Deux types de nanocristaux seront utilisés : HgTe dans la région 2.5-5µm, exploitant les transitions interbande ; HgSe dans la région 8-10µm, exploitant les transitions intrabandes. La principale limitation des détecteurs actuels à nanocristaux est la faible longueur de diffusion des porteurs (50-100nm), comparée à la profondeur d’absorption (quelques µm), ce qui empêche la majorité des porteurs photoexcités d’atteindre les contacts. Notre stratégie pour dépasser cette limitation est de travailler en parallèle sur trois aspects : propriétés du matériau, contrôle de l’interaction lumière-matière, optimisation de l’architecture du détecteur. Nous allons notamment tirer profit des résultats récents sur l’optimisation de la synthèse pour obtenir des porteurs de haute mobilité, ainsi que sur les architectures basées sur les plasmons et les microcavités pour exalter le champ électromagnétique dans un faible volume effectif.
Cette approche est particulièrement adaptée aux compétences scientifiques présentes dans le consortium. LPENS est une équipe leader dans le domaine de l’optoélectronique quantique infrarouge et a démontré récemment un détecteur à puits quantiques de semiconducteur avec un rapport signal à bruit fortement amélioré par l’utilisation d’une microcavité plasmonique. L’INSP a réalisé des travaux pionniers sur les photodétecteurs IR à base de nanocristaux. L’IPCMS a une grande expérience dans les senseurs basés sur les nanocristaux et l’ONERA est une des équipes leader de la détection IR et des dispositifs plasmoniques.
Le projet est organisé en trois workpackages (WP). Le premier est dédié à la synthèse et à la caractérisation des nanocristaux, ainsi qu’à la détermination de leur spectre électronique. Dans le deuxième WP nous étudions le transport et l’interaction lumière-matière dans des résonateurs plasmoniques. Enfin, dans le WP3 nous réalisons et caractérisons les détecteurs. Pour la réalisation des dispositifs, nous proposons une approche novatrice, qui consiste à hybrider des architectures utilisées dans l’optoélectronique III-V, ainsi que les procédés de fabrication typiques de la microélectronique, avec la synthèse des nanocristaux colloïdaux. En conséquence, une partie importante du projet consistera à adapter les procédés de fabrication des microcavités et résonateurs plasmoniques aux spécificités du système de matériaux utilisé. Cette approche nécessitera une interaction très forte entre les partenaires du consortium.
La possibilité de réaliser des résonateurs plasmoniques contenant des couches de nanocristaux, avec une géométrie adaptée au transport de charge, nous permettra aussi d’étudier un problème fondamental qui va bien au-delà de la photodétection : le lien entre couplage lumière-matière et transport de charge. Plusieurs études théoriques et expérimentales récentes ont montré que le transport de charge peut être profondément modifié et exalté par la présence d’une interaction forte avec un mode de cavité. Dans ce projet ce phénomène fascinant sera étudié avec différentes architectures de résonateurs et dans des dispositifs unipolaires et bipolaires.