New generation of perovskite-based photodiodes for NIR-SWIR detection

Les photo-détecteurs infrarouges non refroidis jouent un rôle clé pour réinventer l’imagerie de demain. Ils visent des longueurs d’onde invisibles et peu nocives pour l’œil humain, bénéficiant de fenêtres d’absorption atmosphérique étroites qui permettent de limiter le bruit de fond lié au spectre solaire au niveau du sol. Il est ainsi possible d’étendre le champ de détection de nos appareils connectés à travers la détection de nuit, la brume, les plastiques ou le silicium. Parmi les applications visées, on peut citer la reconnaissance faciale ou la réalité virtuelle augmentée. Cette thèse, conjointement menée par le CEA Grenoble (IRIG/SyMMES et LITEN/LMCR) et ST Microelectronics (Crolles) s’inscrit dans ce contexte et cherche à développer et évaluer de nouveaux matériaux semi-conducteurs pour la détection proche et courte bande infrarouge (NIR et SWIR).Dans un premier temps, un alliage des pérovskites halogénées plomb-étain a été évalué pour la détection dans le proche infrarouge (NIR). Un bilan bref est dessiné au travers d’une intégration dans des dispositifs photodiodes testées en laboratoire, faisant ressortir les avantages et inconvénients de cette approche.Dans un deuxième temps et afin d’étendre la détection au-delà du NIR vers le SWIR, cette thèse explore l’utilisation de nanocristaux de sulfure de plomb (quantum dots, QDs) dont les propriétés optiques dépendent de leur taille et de leur surface, nécessitant une passivation efficace pour limiter leur oxydation et faciliter leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques. La démarche scientifique suivie comprend la fabrication des QDs, leurs traitements chimiques – notamment le remplacement des ligands à longues chaînes par des ligands pérovskites (MAI-PbI2) – et leur intégration dans des photodiodes de test, le tout étant caractérisé par diverses techniques analytiques (XPS, RMN, FTIR, EDX…). D’une part, cette approche cherche à simplifier le procédé industriel traditionnel en proposant une encre hybride QD - ligands pérovskites stable, compatible avec la fabrication en une ou plusieurs étapes de couches absorbantes infrarouges et facilement intégrables dans un empilement photodiode. D’autre part elle vise à approfondir notre compréhension de ce système avec des ligands pérovskites et son impact sur la stabilité des QDs en conditions ambiantes.Ainsi, cette étude a permis d’investiguer les potentialités offertes par les matériaux pérovskites dans le domaine des capteurs infrarouges, soit comme couche de détection dans le NIR, soit comme protection chimique efficace pour passiver les QDs de PbS utilisés dans les technologies de capteurs SWIR.