DOSSIER
OPTRONIQUE & infrarouge
d’ un imageur photoconducteur. Une matrice de photodiodes peut également être fabriquée; dans ce cas, la couche optiquement active est prise en sandwich entre des couches sélectives en transport de charge. Il convient également d’ ajouter une électrode transparente sur le dessus de l’ empilement.
L’ absence de substrat fait que les nanocristaux absorbent non seulement l’ infrarouge, mais aussi le visible, ce qui permet une imagerie très large bande. Des exemples d’ images acquises à partir d’ un imageur dont la couche active dans l’ infrarouge est composée de nanocristaux sont présentés sur les Figure 3d-e. La Figure 3d, et son équivalent visible( Figure 3c), montre comment le contraste de certaines scènes peut être inversé entre le visible et l’ infrarouge. Le substrat de silicium apparaît transparent dans le proche infrarouge, permettant ainsi l’ inspection de wafers. D’ autre part, les bandes d’ absorption de l’ eau dans l’ infrarouge permettent de la différencier facilement d’ autres solvants, également transparents dans le visible. Côté format, des matrices mégapixels ont déjà pu être démontrées.
PROCHAINS CHALLENGES Ces matrices d’ imageurs ont atteint un statut commercial( Emberion, SwirVision), et de nombreux autres acteurs( New Imaging Technologies, Imec, Qurv, Quantum Solution, XinIR Technology) poussent, ou ont poussé, le potentiel de cette technologie. Une limitation majeure à son usage reste la présence de métaux lourds( Pb / Hg). Par mimétisme avec les travaux réalisés pour les écrans, la tendance est donc de se tourner vers les semiconducteurs III-V( InAs et InSb pour l’ infrarouge). Leur maturité reste cependant moins avancée, car la synthèse colloïdale est plus complexe et ces matériaux présentent une plus forte propension à l’ oxydation. La stabilité des composants est également un enjeu majeur: en plus de l’ oxydation, la stabilité thermique
Figure 4. Couplage des nanocristaux à des cavités photoniques. a. Exaltation de l’ absorption: Photoréponse d’ un film de nanocristaux dans le proche infrarouge étendu avec et sans couplage à un resonateur plasmonique. b. Fonction de filtrage spectrale: spectre d’ un composant moyen infrarouge pour deux polarités de fonctionement. Il est ainsi possible de générer un allumage ou une extinction d’ une bande spectrale( ici vers 3 µ m), juste en jouant sur la tension de polarisation. c. Détecteur en cavité: reponse spectrale d’ un composant proche infrarouge dans une cavite diélectrique. La reponse est à la fois fine(< 10 nm) et largement accordable(> 300 nm).
peut s’ avérer critique. Des marchés comme l’ automobile exigent en effet de maintenir les performances alors que le composant est exposé pendant des milliers d’ heures à 100 ° C. Des progrès ont été réalisés en développant des hétérostructures colloïdales qui préviennent l’ oxydation et le frittage des particules.
Pour obtenir des performances comparables à celles de l’ InGaAs dans le proche infrarouge ou du HgCdTe dans le moyen infrarouge, une autre limitation majeure doit être adressée: elle provient du mécanisme de conduction des charges, qui se fait par saut entre particules. Ce mécanisme de diffusion tend à limiter la collection des charges du fait de la faible longueur de diffusion des porteurs( ≈ 50 – 100 nm). Cette dernière est au moins 10 fois plus courte que la longueur d’ absorption des photons entre 1 et 3 µ m. Le couplage de la couche absorbante à un résonateur optique s’ est avéré une stratégie très efficace pour améliorer les performances( voir Figure 4a). Au-delà de l’ exaltation de l’ absorption, la cavité photonique peut être utilisée pour modifier le spectre( l’ affiner ou l’ élargir, voir Figure 4c), mais aussi pour le rendre reconfigurable( Figure 4b). Le spectre devient alors modifiable via un changement de tension, ce qui permet de générer des fonctions de filtrage spectral( filtre passe-haut, coupe-bande, etc.).
CONCLUSION Les nanocristaux colloïdaux représentent une rupture technologique pour l’ optronique infrarouge, en combinant flexibilité spectrale, intégration simplifiée et coût réduit par rapport aux semiconducteurs épitaxiés. Leur synthèse en solution et leur dépôt direct sur circuits CMOS suppriment les contraintes liées aux substrats, ouvrant la voie à des imageurs légers, compacts et mégapixels, comme démontré par des acteurs industriels. Cependant, des défis persistent: la substitution des métaux lourds( Pb / Hg) par des alternatives III-V stables, l’ amélioration de la mobilité des porteurs via des hétérostructures, et l’ optimisation du couplage avec des cavités photoniques pour exalter l’ absorption et le filtrage spectral. Les progrès récents en passivation de surface et en ingénierie de cavités laissent entrevoir des performances comparables à l’ In- GaAs ou au HgCdTe, tout en conservant les avantages des NCs. À terme, cette technologie pourrait démocratiser l’ imagerie IR, depuis l’ automobile jusqu’ à la télédétection, en répondant aux exigences croissantes de miniaturisation, de coût et de polyvalence spectrale.
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