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NanoMIR

Composants à Nanostructure quantique pour le MIR

Introduction

NanoMIR est un leader mondial dans la technologie III-Sb, c’est-à-dire la famille des composés III-V fondés sur GaSb, InAs, AlSb, InSb, leurs alliages et leurs hétérostructures. Il vise à développer cette technologie et ses applications.

Les antimoniures (III-Sbs) sont des semi-conducteurs III-V dont les bandes interdites sont particulièrement bien adaptées à l’infrarouge moyen (IR moyen ~ 2-12 µm), une gamme de longueurs d’onde qui présente des fenêtres de transparence de l’atmosphère ainsi que de fortes lignes d’absorption de nombreuses espèces gazeuses. L’infrarouge moyen est donc très bien adapté au développement d’une variété d’applications ayant un impact sociétal important, telles que l’analyse des gaz (surveillance de la pollution ou des processus, physique des gaz, de l’atmosphère, …), les applications médicales (chirurgie, diagnostic, …), les communications en espace libre, mais aussi les applications liées à la sécurité et à la défense (contre-mesures, détection d’espèces toxiques ou explosives, vision nocturne, …).

Les thèmes de recherches

III-V-SB/Si

Nos travaux portent sur la croissance de matériaux et de dispositifs à base d’antimoniure sur des substrats de silicium. Les principaux défis comprennent la préparation du substrat, l’étude de l’étape de nucléation et la conception de la couche tampon afin i) d’empêcher la formation de micro-macles et de fissures, ii) d’obtenir un enfouissement précoce des domaines d’antiphase et iii) de diminuer autant que possible la densité de dislocations traversantes. Les couches tampons III-Sb/Si sont ensuite utilisés pour réaliser des lasers IR, ce qui ouvre la voie à leur intégration monolithique dans des circuits intégrés photoniques.

Laser

Ce thème est consacré à la conception, à la fabrication et à l’étude de lasers à base de Sb couvrant toute la gamme de longueurs d’onde de l’infrarouge moyen entre 2 et 20 µm. Cette région spectrale est particulièrement bien adaptée aux applications de spectroscopie de gaz, de surveillance de l’environnement, médicales, de communication en espace libre et de défense. Les trois technologies développées sont fondées sur des lasers à diode à puits quantique entre 2 et 3 µm, des lasers à cascade interbande entre 3 et 5 µm et des lasers à cascade quantique au-delà de 7 µm. Nos recherches visent à améliorer les propriétés optiques telles que l’émission monomode, à augmenter la puissance de sortie et à permettre l’intégration directe de lasers à base de Sb sur un substrat de Si.

Photo-détecteurs quantiques

L’objectif principal est la fabrication et l’étude de détecteurs quantiques infrarouges (IR) refroidis à haute performance constitués de super-réseaux InAs/InAsSb de type II (T2SL) sans Ga dans des architectures à barrières (structures XBn). Ces photodétecteurs à base de Sb devraient être capables d’améliorer le rapport signal/bruit pour satisfaire les critères SWAP (taille, poids et puissance) avec une température de fonctionnement élevée (T > 150K) dans l’IR à ondes moyennes (MWIR 3-5µm) pour répondre à des applications militaires et spatiales spécifiques.

Capteurs de gaz

Nous développons ici des dispositifs dédiés à la détection des gaz. Les espèces visées sont par exemple le méthane, le CO, le CO2 (régulation de la biomasse, estimation des condensateurs thermiques, décharges municipales, lagunes…) pour des applications industrielles ou environnementales, mais aussi l’éthylène pour des applications biologiques et agroalimentaires, le NO ou le formaldéhyde pour des applications pollutions in/outdoor .

Enfin nous travaillons avec l’Hopital de Montpellier pour étudier une solution de diagnostic dans l’air exhalé, basé sur la mesure de biomarquers spécifiques. Les capteurs doivent être compacts, légers et polyvalents, favorisant ainsi les mesures in situ en temps réel.
Nous travaillons sur plusieurs approches exploitant la spectroscopie photoacoustique utilisant des lasers à semi-conducteurs accordables. Ce sont des sources monofréquence, à rétroaction distribuée émettant dans la gamme de 2 à 19 µm, basés sur des régions actives à puits quantiques InGaAsSb/Al(In)GaAsSb, à cascade quantique InAs/AlSb voire à cascade interbande. Ces techniques spectroscopiques sont extrêmement sélectives et très sensibles.

Plasmonique

Nous abordons de manière originale le couplage fort entre un gaz d’électrons libres et une onde électromagnétique, la plasmonique. Les semi-conducteurs fortement dopés (HDSC) et l’aluminium sont compatibles avec la technologie Silicium, ce qui ouvre la voie à leur intégration dans des dispositifs à faible coût et produits en masse. Notamment, les avantages des HDSC sont de conserver leurs propriétés plasmoniques dans l’infrarouge moyen et dans le THz en ajustant leur fréquence plasma, caractéristique du comportement métallique, en contrôlant la valeur du niveau de dopage. Nous développons des capteurs de molécules et de gaz plasmoniques et des modulateurs activés optiquement dans le THz.