La détection dans l'infrarouge à courte longueur d'onde (Short-Wave InfraRed, SWIR : 1.5-3.0 µm) est centrale pour de nombreuses applications, comme l'imagerie sous conditions de faible visibilité (brouillard), la détection de gaz ou encore le diagnostic biomédical. Actuellement, les détecteurs SWIR les plus performants en termes de sensibilité reposent sur des
semi-conducteurs III-V et
II-VI* à
bande interdite* directe.
Outre leur fabrication complexe et coûteuse, souvent associée à un fonctionnement nécessitant un refroidissement cryogénique, ces dispositifs reposent sur une croissance par épitaxie* sur des substrats spécifiques, ce qui complique leur intégration avec les technologies CMOS sur silicium*. Ces limitations favorisent le développement de matériaux alternatifs, tels que les alliages semi-conducteurs IV de la famille germanium-étain (Ge1-xSnx), récemment stabilisés et pouvant être épitaxiés sur plaquette de silicium (wafer Si). Ces matériaux ont une bande interdite directe pour des longueurs d'onde supérieures à 2 µm (teneur en étain
x supérieure à 8%) et associée à une forte absorption optique.
Les chercheurs ont nanostructuré par gravure des couches minces de Ge0.92Sn0.08 en réseaux ordonnés de nanofils verticaux de quelques centaines de nanomètres de diamètre et de un micromètre de hauteur. Cette architecture permet de renforcer le champ électromagnétique au niveau des structures semiconductrices en la piégeant grâce à des
résonances de type « modes de fuite »* (leaky-mode resonances, LMR). L'absorption de la lumière est alors multipliée par quatre par rapport à une couche mince conventionnelle. En modifiant le diamètre des nanofils, de 200 à 1 000 nm, les pics de résonance peuvent être ajustés avec précision pour des longueurs d'onde entre 1 et 2,4 µm. Chaque nanofil agit alors de la même manière qu'une nanocellule solaire optimisée pour résonner dans l'infrarouge, et opérée sans aucune polarisation externe, ce qui permet une consommation réduite.
À une longueur d'onde de résonance déterminée par les dimensions du nanofil, le réseau de nanofils convertit préférentiellement le flux d'énergie lumineuse incidente en courant électrique, directement exploitable par un instrument de mesure.
© CEA-Irig/PHELIQS
Figure : Schéma d'un photodétecteur à réseau de nanofils de GeSn présentant une absorption améliorée et un pic LMR modulable en fonction du diamètre des nanofils.
Fonctionnant à température ambiante et grâce au contrôle précis de son absorption spectrale, ce dispositif ouvre la voie à une nouvelle génération de capteurs infrarouges compacts, directement intégrables dans les systèmes LiDAR* (sans danger pour les yeux), ainsi que dans les spectromètres infrarouges. Les travaux en cours visent à améliorer leur sensibilité en optimisant le procédé de fabrication, notamment grâce à un meilleur traitement des surfaces afin de limiter les défauts électroniques à l'origine des pertes de signal, et d'étendre leur fonctionnement dans l'infrarouge moyen (MWIR : 3-8 µm) en augmentant la concentration en étain du GeSn. À plus long terme, l'amélioration des procédés d'épitaxie du GeSn permettra d'atteindre de plus fortes teneurs en étain pour atteindre la bande de l'infrarouge lointain (LWIR : 8-20 µm), permettant ainsi le développement de systèmes d'imagerie multispectrale dans toute la gamme infrarouge.
semi-conducteurs III-V, II-VI* : matériaux cristallins constitués d'éléments des colonnes III et V, ou II et VI, tels que GaAs, HgCdTe très utilisés dans le domaine optoélectronique. Leur structure électronique présente une bande interdite* généralement directe dépendant de leur composition, ce qui permet de cibler différentes longueurs d'onde de fonctionnement.
bande interdite* : dans un cristal semiconducteur, intervalle d'énergie dans lequel aucun état électronique n'est permis. Celui-ci est borné de part et d'autre par les extrema des bandes de valence et de conduction. L'émergence d'un gap donne la possibilité de pouvoir jouer avec les populations d'électrons ou de trous libres, et permet l'apparition de transitions optiques, ceci étant à la base de toute l'électronique et de l'optoélectronique moderne.
épitaxie* : science de la croissance cristalline sur substrat. Les atomes déposés s'organisent selon la structure du cristal support, permettant d'obtenir des matériaux de haute qualité. Les semi-conducteurs III-V doivent être déposés sur des substrats spécifiques III-V (GaAs, InP, etc.) augmentant le coût de fabrication et limitant leur intégration dans les technologies CMOS sur silicium*.
technologie CMOS sur silicium* : CMOS pour « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor », procédés industriels permettant de fabriquer des circuits électroniques sur des plaquettes (wafers) de silicium. Cette technologie offre une production à grande échelle, fiable et peu coûteuse.
résonances de type « modes de fuite »* : selon la longueur d'onde et la dimension du nanofil, chemins particuliers de lumière dans lesquels la lumière est piégée pendant un court instant et circule à travers le nanofil avant de s'en échapper.
systèmes LiDAR*: LiDAR pour « Light Detection And Ranging », systèmes de télédétection qui déterminent la distance entre un capteur et un objet en mesurant le temps de parcours d'une impulsion laser réfléchie par l'objet.
-
UMR : Univ. Grenoble Alpes (UGA), CEA, Grenoble INP UGA - IRIG/PHELIQS.
-
Financements : ANR (SINPHONI), CEA PTC (SAGE), UGA (SAGE).
-
Collaborations : CEA LETI (Laboratoire d'électronique et des technologies de l'information).