Le puits quantique

La discrétisation de la bande de conduction est obtenue en emprisonant les électrons dans une couche semi-conductrice - puits - entre deux matériaux isolants - les barrières -, on forme alors un puits de potentiel dans lequels les niveaux d’énergies sont quantifiés. On utilise comme barrière, un matériau dont la bande interdite est plus large que celle du matériau puits comme montré par la fig. 1.8.

Fig. 1.8 – À gauche, représentation schématique des bandes des semi-conducteurs des puits et des barrières. À droite : détail de la zone entourée sur la figure de gauche, schématisant un puit quantique à deux niveaux.

Suivant l’épaisseur du puits, le nombre de niveaux à l’intérieur varie. Dans le but de réaliser des QWIPs (Quantum Well Infrared Photodectectors), on fait habi- tuellement en sorte d’obtenir deux niveaux confinés. Le niveau le plus haut pouvant alors être plus ou moins encaissé suivant l’effet recherché ; si l’écart d’énergie avec le haut des barrières est très faible on parlera de niveaux quasi-liés. Sur ces niveaux les électrons peuvent se déplacer librement dans le plan perpendiculaire à l’axe de croissance, on a donc des niveaux 2D. Au-dessus des barrières, les niveaux sont

étendus - on parle alors de continuum - et les électrons peuvent se déplacer dans toutes les directions, les niveaux sont 3D.

À l’équilibre thermodynamique, la répartition des électrons sur les différents niveaux répond à la statistique de Fermi-Dirac, aussi, à basse température on

considère que tous les électrons se trouvent sur le niveau fondamental E1. Un

électron peut être excité vers le niveau E2 en absorbant un photon d’énergie E =

E2− E1. Si le niveau E2 est suffisamment proche du haut du puits, l’électron peut

alors passer dans le continuum, et se mouvoir dans n’importe quelle direction. Dans le cas où plusieurs électrons sont excités suite à l’absorption d’un flux de photons, l’écoulement des électrons dans le continuum se fait de manière isotrope et aucun courant n’est créé.

Avoir de l’absorption n’est donc pas suffisant, il faut aussi une structure as- symétrique - ou polarisée - pour donner naissance à un courant. Deux solutions peuvent être envisagées à cette fin : appliquer un champ électrique selon l’axe de croissance, c’est le cas du QWIP ; ou comme dans le cas du QCD, mettre plusieurs puits de taille variable en série.

De telles transitions entre niveaux liés sont très résonantes faisant des détec- teurs quantiques des détecteurs à bande étroite, ce qui, comme nous le verrons plus tard, peut s’avérer être un avantage. Dans le cas des détecteurs à puits quantiques on ne détecte donc qu’une longueur d’onde unique. Les différences de température de la scène ne sont donc pas discriminées par leur variation en longueur d’onde mais par le changement du flux de photons incident pour une longueur d’onde don- née, comme suggéré sur la figure 1.1. La réalité fait que l’absorption présente une certaine largeur, comme toute absorption. La réponse d’un puits quantique (sans

tension), ressemble classiquement à une lorentzienne1 _{(fig. 1.9). La possibilité de}

transitions avec des niveaux non confinés à l’extérieur du puits fait que, à haute énergie, l’absorption s’élargit et s’écarte du modèle de la lorentzienne.

1.3.2 Les détecteurs à puits quantiques

Les détecteurs infrarouge à multipuits quantiques, sont composés d’une série de puits quantiques identiques, afin de multiplier les chances d’absorber un photon. Une différence de potentiel est imposée par un générateur aux bornes de la struc- ture, dans le but de créer un champ électrique selon lequel les électrons s’écouleront (fig. 1.10).

1_{La fonction lorentzienne est couramment utilisée pour décrire l’élargissement des transitions}

électroniques qui idéalement correspondraient à une distribution de Dirac. Elle s’écrit, norma- lisée : x 7−→ Γ

2π₍1 1

2Γ)2+(x−x0)2; Γ correspondant à la largeur à mi-hauteur et x0 l’abscisse du

Fig. 1.9 – Absorption d’une couche QWIP typique mesurée à l’angle de Brewster et son approximation par une fonction lorentzienne.

Le champ électrique va exercer une force−→F = −e−→E sur les électrons, déformant

donc les barrières. Les électrons sur le niveau E2 auront alors la possibilité de

traverser les barrières par effet tunnel et ainsi participer au transport. Une fois dans le continuum, les électrons peuvent aussi être réabsorbés par un puits suivant, diminuant d’autant le courant.

Fig. 1.10 – Représentation schématique d’une série de puits quantiques sous un champ électrique. Le photon absorbé dans le premier puits promeut un électron sur le niveau excité, depuis lequel il sera entrainé dans le continuum par le champ électrique.

Les QCD

La couche active d’un détecteur à cascades quantiques (Quantum Cascade De- tector) est composée elle aussi de motifs identiques en série. Cependant à la diffé- rence du QWIP, ces motifs élémentaires ne sont pas de simples puits uniques mais des cascades contenant elles-mêmes plusieurs puits, telles que représentées sur la figure 1.11.

Au sein d’une cascade, un électron est photoexcité du niveau fondamental vers

le niveau E2 dans le premier puits. Les puits suivants sont assez étroits pour

n’accepter qu’un seul niveau. D’un puits à l’autre la hauteur de ce niveau décroît du niveau E2vers le niveau E1, ce qui permet après le franchissement des barrières par

Fig. 1.11 – Schéma de trois cascades d’un QCD.

de la structure totale, ce déplacement de charge ne peut s’effectuer que dans une seule direction, ce qui a pour effet non seulement de polariser la structure mais aussi de générer un courant.

À la différence du QWIP, le détecteur QCD fonctionne en l’absence de tension extérieure ce qui le rapprocherait des détecteurs photovoltaïques.

D’autres types de détecteurs

Il existe deux autres grands types de détecteurs quantiques intersoubandes, les supers réseaux et les QDIP (Quantum Dot Infrared Photodetector). Dans ces derniers on remplace les puits par des boîtes quantiques.