Hétérostructures de Type II Basées sur des Nanofils de ZnO Ordonnés pour les Photodétecteurs UV Auto-Alimentés

par Guislain Hector (Hector-pierrot)

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Vincent Consonni et de Estelle Appert.


  • Résumé

    La détection du rayonnement UV est cruciale pour une grande variété d'applications, incluant la détection incendie, l'analyse chimique et biologique, ou les communications optiques. La plupart des photodétecteurs UV sont à base de silicium ou de semiconducteurs à large bande interdite sous forme de couches bidimensionnelles. Cependant, leur coût, consommation d'énergie, tension de travail, et temps de réponse sont incompatibles avec leur utilisation dans des dispositifs nanométriques multifonctionnels connectés, qui sont en plein essor. Afin de traiter ces challenges, le projet JCJC DOSETTE propose des solutions innovantes et originales visant à développer une nouvelle classe de photodétecteurs UV autoalimentés basés sur des hétérojonctions p-n à large bande interdite comprenant des hétérostructures ordonnés de type cœur coquille à nanofils (Nfs) de ZnO, avec les exigences d'utiliser des matériaux bas coût et semi-abondants élaborés par des techniques de dépôt chimiques rentables, extensibles en surface, et fonctionnant à basse température. Ces photodétecteurs UV autoalimentés bénéficieront d'un faible coût, d'une surface active importante, d'une grande sensibilité et d'une grande sélectivité spectrale à travers le piégeage optique et la gestion des porteurs de charges efficaces, et de temps de réponse courts. Les objectifs impliquent la conception de ces hétérostructures ordonnées à Nfs de ZnO à partir de simulations optoélectroniques, leur fabrication par des techniques de dépôt chimique innovantes bas coût et extensibles en surface (tirage, CBD, SILAR, SALD, CVD, spray chimique) combinées à des procédés technologiques en salle blanche (lithographie avancée et gravure), leur caractérisation avancée par une grande variété de techniques (FEG-SEM, TEM, STEM, XRD, spectroscopie optique, mesures d'absorption et de transport électrique, réponse spectrale, temps de réponse, …), et leur intégration dans des photodétecteurs UV autoalimentés. Leur comportement photovoltaïque sera également déterminé pour évaluer leur potentiel à fournir la puissance nécessaire au fonctionnement des dispositifs entiers. Un effort sera mis sur l'étude des effets piézophototroniques dans ces dispositifs. Le projet JCJC DOSETTE bénéficiera des compétences uniques du coordinateur et de son équipe projet au LMGP sur le développement d'hétérostructures à Nfs, ainsi que de collaborations étroites avec l'IMEP-LAHC et l'Institut Néel et du soutien fort des plateformes technologiques et de caractérisation avancée, pour former un consortium pluridisciplinaire capable de traiter l'ensemble des tâches par des approches complémentaires allant de la conception, du dépôt, de la caractérisation avancée jusqu'à la fabrication des photodétecteurs UV autoalimentés. Il rassemblera dans un nouvel axe de recherche au LMGP des compétences variées en science des matériaux, chimie, ingénierie, et physique des semiconducteurs et composants. Le projet JCJC DOSETTE mènera à d'importantes retombées bénéfiques scientifiques, techniques, et économiques. Les dispositifs nanométriques multifonctionnels connectés et autoalimentés sont développés pour améliorer les niveaux de vie et de développement des êtres humains, entreprises, et agglomérations tout en contenant la demande globale en énergie. Ces dispositifs représenteront à moyen terme un marché énorme présentant un potentiel économique très grand. La dissémination des résultats sera réalisée aux niveaux recherche, industriels, et enseignement, via des publications et communications dans les meilleurs journaux et conférences internationales ainsi que via des cours de Master à l'Ecole d'Ingénieur Phelma et dans plusieurs programmes de Master et écoles d'été européens. Ce projet offre une opportunité unique de traiter ces sujets en fournissant des solutions de rupture avec une haute valeur ajoutée et d'acquérir un leadership au niveau international sur le développement de dispositifs optoélectroniques à base de Nfs de ZnO.

  • Titre traduit

    Ordered ZnO Nanowire-Based Type II Heterostructures for Self-Powered UV Photodetectors


  • Résumé

    Detecting the ultra-violet (UV) radiation is of primary importance for a wide variety of applications, including flame detection (i.e., fire alarms, combustion monitoring, missile warning, …), biological and chemical analysis (i.e., ozone, organic compounds, …), and optical communications (i.e., inter-satellite communications). Most of the UV photodetectors (PDs) are based on silicon and wide band gap (WBG) semiconductor devices in the form of two-dimensional films. However, their cost, energy consumption, operating bias voltage, and response times, are incompatible with their use in connected multifunctional nanoscale devices, which are more and more developed. In order to address all these challenges, the project JCJC DOSETTE proposes original and innovative solutions to develop a new class of self-powered UV PDs that are based on WBG semiconducting p-n heterojunctions consisting of ordered ZnO nanowire (NW) core shell heterostructures, with the additional requirements of using low-cost and at least semi-abundant materials deposited by low-cost and surface scalable chemical deposition techniques working at relatively low-temperature. These self-powered UV PDs are expected to benefit from a low-cost, a large active surface area, a high sensitivity through efficient light trapping and charge carrier management, a high spectral selectivity through light trapping management, and fast response (i.e., rise and decay) times. The objectives involve the design of these ordered ZnO NW core shell heterostructures from optoelectronic simulations, their fabrication by low-cost and surface scalable innovative chemical deposition techniques (dip coating, CBD, SILAR, SALD, CVD, chemical spray) combined with technological process in a cleanroom environment (advanced lithography and etching), their advanced characterization by a large number of techniques (FEG-SEM, TEM, STEM, XRD, optical spectroscopy, absorption and electrical transport measurements, responsivity, response times…), and their integration into self-powered UV PDs. The photovoltaic behavior will also be determined to assess their potential to power the complete devices. A special emphasis will also be made on the investigation of the piezophototronics effects in these devices. The project JCJC DOSETTE will benefit from the unique skills of the coordinator and his project team in LMGP on the development of WBG NW heterostructures, together with close collaborations with IMEP-LAHC and Institut Néel and strong supports of technological and advanced characterization platforms, to form a multidisciplinary consortium, being able to tackle all the tasks with complementary approaches dealing with the design, deposition, advanced characterization, and fabrication of self-powered UV PDs. It will gather, in a new, standalone research axis at LMGP, multi-disciplinary skills in materials science, chemistry, engineering, and semiconductor and device physics. The project JCJC DOSETTE will result in important scientific, technical, and economic beneficial effects. The connected multifunctional nanoscale devices are strongly developed to improve the living and development conditions of human being as well as companies and cities while decreasing the global energy demand. The self-powered connected multifunctional nanoscale devices should thus represent in the medium term a huge market with a significant economic potential. The dissemination of the scientific results will further be carried out both at the research, industrial and teaching levels, via the publications and communications in high quality international journals and conferences as well as via Master courses in Phelma and in several European Master Program and Summer School. The project JCJC DOSETTE offers a unique opportunity to address all these topics by providing new disruptive solutions with a high added value and to acquire a leadership at the international level in the development of ZnO NW-based optoelectronic devices