Intégration sur une puce grâce aux détecteurs infrarouges miniaturisés

La miniaturisation extrême des détecteurs infrarouges (IR) est essentielle pour leur intégration dans les appareils électroniques grand public de la prochaine génération, les objets à porter sur soi et les satellites ultra-compacts. Jusqu’à présent, les détecteurs IR reposaient toutefois sur des matériaux et des technologies encombrants (et coûteux). Une équipe de scientifiques dirigée par Ivan Shorubalko, chercheur à l’Empa, a réussi à développer un processus de miniaturisation rentable pour les spectromètres IR basés sur un photodétecteur à points quantiques, qui peut être intégré sur une seule puce, comme ils le rapportent dans Nature Photonics.

La miniaturisation des spectromètres infrarouges conduira à leur utilisation plus large dans l’électronique grand public, comme les téléphones portables permettant le contrôle des aliments, la détection de produits chimiques dangereux et l’électronique portable. Ils peuvent être utilisés pour la détection rapide et facile de certains produits chimiques sans utiliser de matériel de laboratoire. Ils peuvent également être utiles pour la détection des contrefaçons de médicaments, ou la détection des gaz à effet de serre de la Terre tels que le méthane et le CO2.
Une équipe de scientifiques de l’Empa, de l’ETH Zurich, de l’EPFL, de l’Université de Salamanque, de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de l’Université de Bâle a maintenant construit un spectromètre à guide d’ondes à transformée de Fourier miniaturisé qui incorpore un photodétecteur à points quantiques colloïdaux sous-longueur d’onde et compatible avec les oxydes métalliques complémentaires et les semi-conducteurs comme capteur de lumière, comme ils l’ont rapporté dans « Nature Photonics ».

Voici comment fonctionne le spectromètre IR : le photodétecteur, fabriqué au-dessus d’un guide d’ondes optique de surface, se compose d’une électrode inférieure en or en bas fonctionnant comme un centre de diffusion, une couche photoactive (constituée de tellurure de mercure colloïdal – HgTe – points quantiques) , et une électrode supérieure en or. En déplaçant le miroir, le photocourant mesuré cartographie l’intensité lumineuse de l’onde stationnaire. c’est-à-dire la lumière IR. © Lars Lüder

Des effets considérables sur les spectromètres de différents types – et dans différents domaines

Le spectromètre résultant présente une grande largeur de bande spectrale et une résolution spectrale modérée de 50 cm-1 pour un volume actif total du spectromètre inférieur à 100 μm × 100 μm × 100 μm. Cette conception ultracompacte du spectromètre permet d’intégrer des instruments de mesure optique/analytique dans des appareils électroniques grand public et des dispositifs spatiaux. « L’intégration monolithique de photodétecteurs infrarouges sub-longueur d’onde a un effet énorme sur la mise à l’échelle des spectromètres à guide d’ondes à transformée de Fourier », déclare Ivan Shorubalko. « Mais ça peut également présenter un intérêt pour les spectromètres Raman miniaturisés, les biocapteurs et les dispositifs de laboratoire sur puce, ainsi que pour le développement de caméras hyperspectrales instantanées à haute résolution. »