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Laboratoire Pierre Aigrain

Accueil du site > La recherche au L.P.A. > Propriétés optiques et électroniques des nano-objets > Magnéto - spectroscopie IR/THz > Nanostructures à cascade quantique > Quantum Cascade Detector

Détecteur à Cascade Quantique

Collaboration with Aurore Gomez and Vincent Berger

Thesis started in Septembre 2005 by Aurore Gomez






Image obtenue par une caméra infrarouge 8µm,
on observe la différence de température entre deux verres,
un qui apparait blanc rempli d’un liquide chaud et l’autre, noir qui contient un liquide froid.



Dans le domaine de la détection infrarouge [3-12µm], les détecteurs à puits quantiques (QWIPs) possèdent des atouts qui leur ont permis de devenir une des technologies de pointe pour l’imagerie thermique notamment dans les applications de type grande matrice en bande III. Un des paramètres de fonctionnement essentiels des détecteurs à puits quantiques est le temps d’intégration : celui-ci peut être court en raison de la saturation de la capacité du circuit de lecture. Dans les QWIPs, en raison d’un trop grand courant d’obscurité, le temps d’intégration est environ 10 fois plus petit que le temps de trame vidéo associé à l’image thermique aussi, seule une fraction du temps est réellement utile et une grande partie du signal est perdue.
C’est dans ce contexte qu’a été proposée une version photovoltaïque du détecteur QWIP, le détecteur à cascade quantique (QCD) (brevet Thales 2001). Contrairement à ses prédécesseurs photovoltaïques, le QCD présente un rendement quantique élevé. Il fonctionne à tension nulle c’est pourquoi il ne transporte aucun courant noir indésirable. Il serait donc très intéressant pour des grandes matrices de petits pixels pour lesquelles la saturation des capacités de lecture est un problème limitant.
Le principe de fonctionnement du QCD est le suivant : un électron occupant le niveau fondamental de la structure est promu sur un niveau excité par absorption d’un photon infrarouge. L’électron sur le niveau excité est capturé par une cascade de niveaux et est emmené dans un puits voisin. Ceci génère un potentiel de charge d’espace : on a donc bien un détecteur photovoltaïque. Cette structure peut-être reproduite périodiquement de telle sorte que le puits voisin dans lequel finit l’électron est lui-même un puits absorbant, identique au premier. On a donc finalement un photocourant qui circule à travers l’ensemble de la structure et c‘est pour cette raison que l’on attend des QCDs des rendements quantiques supérieurs à ceux des autres réalisations photovoltaïques.
Des premières structures QCDs ont été étudiées au cours de la thèse de Laure Gendron. Le principe du détecteur a été validé et publié dans Applied Physics Letters et les premières mesures ont permis de mettre en évidence la grande potentialité de ces détecteurs. Il reste maintenant à optimiser la structure de bande et comparer les performances de ces détecteurs à cascade à celles des QWIPs standards.
Les résultats des mesures réalisées sur les premiers QCDs à 8 µm, étudiés lors de la thèse de Laure Gendron, sont très prometteurs. Les QCDs présentent les performances les plus élevées que l’on puisse trouver dans la littérature des détecteurs photovoltaïques à puits quantiques ; On a mesuré une réponse de 44 mA/W à 50 K. La détectivité spécifique limitée par le bruit Johnson est de 4.5×1011 Jones à 50 K et de 2.1×1010 Jones à 77 K. Le R0A de 1000 W.cm2 à 77K est du même ordre de grandeur que celui des détecteurs MCT. Cependant, les premières structures à 8 µm n’ont pas encore été optimisées en raison du grand nombre de degrés de liberté qui existent dans le dessin quantique. Une étude systématique du dessin des structures en liaison avec la modélisation doit être menée pour proposer une structure optimale. Un programme de simulation, entièrement basé sur l’interaction électron-phonon optique, permet déjà de modéliser, ab initio, le courant d’obscurité dans les QCDs. Pour valider ce modèle, une étude plus approfondie des mécanismes responsables du courant d’obscurité est nécessaire notamment grâce au champ magnétique.



Image de la cathédrale Notre Dame obtenue par une caméra infrarouge 8µm,
on observe les zones qui laissent passer la chaleur : les vitraux
et les zones qui laissent moins passer la chaleur : les murs