Quantum-confined nanocrystals for infrared optoelectronics : carrier dynamics and intraband transitions
Nanocristaux colloidaux confinés pour l’optoélectronique infrarouge : dynamique des porteurs et transitions intrabande
Résumé
Colloidal nanocrystals are crystalline objects grown by colloidal chemistry approaches. Thanks to quantum confinement, their optical properties depend on their size, and can then be tuned accordingly. Using mercury selenide and mercury telluride, we grow infrared-absorbing nanocrystals. While HgTe nanocrystals interband gap can be tuned from the NIR to the MWIR, HgSe nanocrystals display self-doping and intraband transitions in the MWIR to LWIR. With a careful control of their surface chemistry, those nanocrystals can be integrated into electrical devices to create cheap infrared photodetectors. In my PhD work, I am interested in probing carrier dynamics in those devices using various time-resolved techniques, either based on photocurrent measurements or on direct observation of the photocarriers relaxation. From dynamic study of HgSe intraband devices, I identify the issue brought by the degenerative doping level of those nanocrystals: transport is driven by the doping of this material, resulting in very poor IR-sensing performances. By taking inspiration from the III-V semiconductor developments, I propose several successful approaches to uncouple optical and transport properties in HgSe-based, MWIR detectors.
Les nanocristaux colloïdaux sont des objets cristallins obtenus par voie chimique. Ces objets étant confinés, leurs propriétés optiques dépendent de leur taille, et peuvent donc être ajustées à la demande. Les nanocristaux de tellurure de mercure et de séléniure de mercure possèdent notamment des propriétés d’absorption dans l’infrarouge: l’énergie de bande interdite (interbande) des nanocristaux de HgTe peut-être variée du SWIR au MWIR, tandis que les nanocristaux de HgSe, grâce à un auto-dopage électronique dégénéré, présentent des transitions intrabande ajustables du MWIR au LWIR. Un contrôle fin de la chimie de surface de ces objets permet de les intégrer dans des dispositifs électroniques et de créer des détecteurs infrarouge à bas coût. Dans mon travail de thèse, je me suis intéressé à différentes manières de sonder la dynamique des porteurs dans ces dispositifs, soit via la mesure du photocourant, soit par des observations directes de la relaxation des porteurs photogénérés. A partir d’études sur la dynamique dans HgSe, j’ai identifié les limitations apportées par le fort dopage de ces nanocristaux : le transport est dominé par la forte densité électronique, conduisant à des faibles performances pour la détection IR. En reprenant les concepts développés pour les hétérostructures de semi-conducteurs III-V, je propose différentes approches fructueuses pour découpler les propriétés optiques et le transport de charges dans des dispositifs de détection MWIR à base de nanocristaux de HgSe.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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