Study and control of the carrier density in narrow bandgap semiconductor nanocrystals : application to infrared sensing

Étude et contrôle de la densité de porteurs dans des nanocristaux à faible bande interdite : application à la détection infrarouge

Charlie Gréboval (1)

1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris

Colloidal semiconductor nanocrystals are chemically synthetized crystalline objects. Quantum confinement occurring in these objects give them size-dependent tunable optical properties that can be adjusted during their synthesis. They are mostly known for their bright photoluminescence in the visible range they can also absorb infrared light. Among infrared absorbing materials, I used mercury telluride which bandgap can be tuned across the entire infrared range. These nanocrystals can then be deposited as thin films onto electrodes to build infrared photodetectors. The goal is to use these photodetectors as sensors in cheap infrared cameras. Before that, a full understanding of their properties is needed. I developed different means to probe both nature and dynamics of the majority and minority carriers in HgTe nanocrystals. This is done through photoemission measurements but also by building field effect transistors. I developed new gating technologies for these transistors, and I show some examples of their integration in photodetectors. The addition of a gate allows a better control of the carrier density and can even lead to a better charge separation induced by the formation of a p-n junction within the channel. This enables a strong enhancement of the signal-to-noise ratio leading to improved performance.

Les nanocristaux de semiconducteur colloïdaux sont des objets cristallins synthétisés par voie chimique. En raison du confinement quantique présent dans ces objets, leur propriétés optiques dépendent de leur taille et peuvent être ajustés lors de leur synthèse. Connus principalement pour leur photoluminescence dans le visible, ils peuvent également absorber le rayonnement infrarouge. Parmi les matériaux absorbant dans l’infrarouge, j’ai utilisé pendant ma thèse le tellurure de mercure dont l’énergie de bande interdite peut être ajustée continument sur l’ensemble de la gamme infrarouge. Ces nanocristaux peuvent être déposés sous forme de films sur des électrodes afin de réaliser des photodétecteurs infrarouges. L’objectif est d’utiliser ces photodétecteurs dans des caméras infrarouges à bas coût. Avant cela il est nécessaire d’avoir une connaissance complète de ces matériaux. Je me suis intéressé à plusieurs moyens permettant de sonder la nature et la dynamique des porteurs majoritaires et minoritaires dans des nanocristaux de HgTe. Cela passe par des mesures de photoémission mais également par la réalisation de transistors à effet de champ. J’ai développé de nouvelles technologies de grille pour ces transistors et je présente des exemples d’intégration de ces transistors dans des photodétecteurs. L’ajout d’une grille permet un meilleur contrôle de la densité de porteurs et permet dans certaines conditions d’améliorer la séparation des charges par la formation d’une jonction p-n dans le canal. Cela permet une augmentation significative du rapport signal-sur-bruit des détecteurs et donc de meilleures performances.

Mots clés: Infrared nanocrystals; Optoelectronics; Field effect transistors; Field effect transistor; Carrier density

Mots clés: Nanocristaux; Infrarouge; Optoélectronique; Transistors à effet de champ; Densité de porteurs

Domaines: Matériaux; Matière Condensée [cond-mat]

Charlie Gréboval. Étude et contrôle de la densité de porteurs dans des nanocristaux à faible bande interdite : application à la détection infrarouge. Matériaux. Sorbonne Université, 2021. Français. ⟨NNT : 2021SORUS221⟩. ⟨tel-03595012v2⟩