Nanostructures ELectriquement Accordables en SemiconducTeur pour l'InfraRouge. – nanoELASTIR

Ce projet vise au développement de filtres spectraux nanostructurés réalisés uniquement en matériaux semiconducteurs, au contraire de ce qui se fait habituellement (métal + diélectrique). La gamme de longueur d'onde adressée est le LWIR. Deux objectifs sont suivis:
- d'une part, nous démontrerons la possibilité d'intégration monolithique de ces filtres à un photodétecteur de type "super-réseau" (T2SL)
- d'autre part, nous démontrerons qu'il est possible de réaliser des filtres spectraux accordables électriquement, pour balayer une plage spectrale de plusieurs centaines de nanomètres avec des tensions typiquement inférieures à 5V

Pour atteindre ces objectifs, nous allons nous appuyer sur des semiconducteurs tels que GaSb et InAs0,91Sb0,09 fortement dopé (HDS - heavily doped semiconductors). L'intérêt de doper fortement l'InAs est de lui conférer un comportement "métallique" dans les longueurs d'onde d'intérêt. L'HDS peut ainsi remplacer les métaux dans les architectures habituelles de filtres nanostructurés. L'avantage réside en ce que les photodétecteurs T2SL sont justement faits en InAs0,91Sb0,09, GaSb, ou d'autres matériaux en accord de maille. L'intégration du filtre au pixel peut ainsi être monolithique, ce qui permet une simplification par rapport aux solutions existantes.
Ensuite, nous explorerons un mécanisme d'accordabilité basé sur le déplacement des porteurs libres du HDS, lorsque le composant est soumis à une tension. Ces porteurs seront déplétés à proximité d’une barrière de potentiel, et l'indice de réfraction du matériau sera localement modifié. En disposant cette barrière convenablement dans le composant nanostructuré, les conditions de résonance donnant naissance au filtrage seront modifiées.

Concrètement, quatre composants seront fabriqués et chacun d'entre eux sera conçu, fabriqué et caractérisé. Il s'agira :
- d’un filtre spectral nanostructuré fait uniquement en semiconducteurs, permettant de valider le dimensionnement des nanostructures
- d’une photodiode LWIR intégrant un filtre spectral nanostructuré fait uniquement en semiconducteurs, permettant de démontrer la possibilité d’intégrer, dans le futur, ces composants sur des FPA.
- d’un composant non nanostructuré permettant de valider la fonction de barrière
- d’un filtre spectral nanostructuré accordable en longueur d'onde intégré sur photodétecteur, objectif final du projet

Nous pensons que ces composants formeront de nouvelles briques de bases pour une génération de caméras multispectrales innovantes, compactes, avec acquisition haute fréquence. Les concepts étudiés dans le projet permettront de lever le compromis habituel entre résolution spatiale et résolution spectrale. Par ailleurs, le concept d'accordabilité pourra être utilisé pour d'autres applications, comme par exemple celle des sources thermiques nanostructurées.

Deux partenaires forment le consortium :
(1) l'ONERA, porteur du projet, où seront faites la conception électromagnétique des nanostructures et la caractérisation électro-optique des composants
(2) l'Université de Montpellier (UM), où seront réalisées les épitaxies, la plupart des étapes technologiques, ainsi que la conception de la barrière

Notons que des études théoriques et expérimentales menées par nos équipes ces derniers mois ont montré des résultats préliminaires encourageants. Ces résultats ne sont pas encore publiés mais sont présentés dans le document scientifique.