Des chercheurs de la Northwestern University ont développé une nouvelle approche de la conception de dispositifs quantiques qui a produit le premier photodétecteur infrarouge à grande longueur d'onde (LWIR) basé sur le gain utilisant une ingénierie de structure de bande basée sur un matériau de super-réseau de type II.

Cette nouvelle conception, qui a démontré une photodétection LWIR améliorée pendant les tests, pourrait conduire à de nouveaux niveaux de sensibilité pour les photodétecteurs LWIR de nouvelle génération et les imageurs à matrice de plan focal. Les travaux pourraient avoir des applications en sciences de la terre et en astronomie, télédétection, vision nocturne, communication optique, et l'imagerie thermique et médicale.

"Notre conception peut aider à répondre à la demande urgente de photodétecteurs ultra-sensibles, " a déclaré Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy Professeur de génie électrique et informatique, qui a dirigé l'étude. "L'architecture utilise un matériau de super-réseau unique de type II qui optimise les photodétecteurs LWIR pour fonctionner avec une faible puissance, gain optique plus élevé, et une excellente stabilité."

Alors que les progrès récents dans les matériaux et dispositifs semi-conducteurs ont conduit à des progrès notables dans le développement de photodétecteurs capables de capturer les longueurs d'onde LWIR, La technologie de détection LWIR de pointe souffre encore de lacunes. De nombreux photodétecteurs utilisent le tellurure de mercure et de cadium comme semi-conducteur, un matériau qui peut atteindre une excellente sensibilité et vitesse, mais produit également un faible gain de photocourant et un excès de bruit spectral.

Razeghi, qui dirige le Center for Quantum Devices (CQD) de Northwestern, conçu le photodétecteur à l'aide d'un super-réseau de type II, un système de matériau connu pour son uniformité de croissance exceptionnelle et son ingénierie de structure de bande exceptionnelle - la capacité de contrôler la bande interdite dans un matériau, l'espace où aucune charge électronique n'est présente. Cela en a fait un semi-conducteur alternatif optimal au tellurure de mercure et de cadmium pour un système LWIR. Son équipe a ensuite appliqué le nouveau matériau à une structure de dispositif de phototransistor à hétérojonction, un système de détection connu pour sa grande stabilité, mais une auparavant limitée à la détection à ondes courtes et proche infrarouge.

Lors des tests, le super-réseau de type II a permis à chaque partie du photodétecteur d'être soigneusement réglée pour utiliser le phototransistor pour obtenir un gain optique élevé, faible bruit, et une détectivité élevée.

"La flexibilité démontrée du matériau permet une ingénierie méticuleuse de la structure de bande basée sur la mécanique quantique pour la conception de l'hétérostructure, ce qui en fait un candidat polyvalent pour repousser les limites de la détection infrarouge, " a déclaré Razeghi.

La recherche s'appuie sur la longue histoire de travail du CQD pour développer et comprendre la physique des dispositifs à semi-conducteurs quantiques pour de nouvelles applications, des sciences militaires et de la terre aux systèmes médicaux. Cette nouvelle structure quantique artificielle ouvre la porte à des photodétecteurs à gain élevé de nouvelle génération avec un potentiel pour des applications à grande vitesse avec des capacités de détection ultra-sensibles pour la détection de photons uniques.

Un document décrivant le travail, intitulé "Photodétecteur LWIR à gain élevé et à structure de bande basé sur un super-réseau de type II, " a été publié le 14 janvier dans la revue Lumière :Science et Applications.