MICROPARTICULES RESONANTES

L'invention concerne des composants photoniques et opto-électroniques et plus particulièrement un filtre et un détecteur optique à base de nano- /microparticules.

Les systèmes d'imagerie en couleurs nécessitent des filtres disposés sur des matrices de capteurs. Ces filtres sont typiquement des filtres absorbants qui transmettent une ou des longueurs d'onde définies. Ils sont généralement fabriqués en utilisant des colorants : l'absorption d'une lumière incidente est réalisée par les molécules qui composent les colorants. Cette méthode de filtrage de la lumière comporte plusieurs inconvénients : la capacité de filtrage est sujette au vieillissement et les matériaux utilisés ne sont pas compatibles avec les procédés de fabrication des capteurs lumineux CMOS.

Abbarchi et al. (Abbarchi, M., Naffouti, M., Vial, B., Benkouider, A., Lermusiaux, L., Favre, L., ... & Bonod, N., 2014, Wafer Scale Formation of Monocrystalline Silicon-Based Mie Resonators via Silicon-on-lnsulator Dewetting. ACS nano, 8(1 1 ), 1 1 181 -1 1 190) ont divulgué une méthode de fabrication d'un filtre basé sur la résonance de nano-/microparticules semi-conductrices, permettant de diffuser efficacement la lumière incidente à la surface d'un composant par résonance électromagnétique dans le matériau de la nano-/microparticule. Leurs fréquences de résonance dépendent de la taille et du matériau utilisé. Pour réaliser ces résonateurs, Abbarchi et al. utilisent un substrat de silicium sur isolant sur lequel peut être déposé une couche de germanium. Des conditions contrôlées de pression et de température induisent un démouillage de la (des) couche(s) semi- conductrice^) sur la couche de Si0 ₂ . Les « gouttes » de semi-conducteur (silicium et/ou germanium) forment des nano-/microparticules sur la surface de l'isolant. Cette méthode présente l'intérêt d'être compatible avec les critères de fabrication CMOS car elle n'utilise pas, notamment, de métal, contrairement aux méthodes utilisant des microstructures mettant en œuvre des plasmons de surface. En revanche, la méthode divulguée ne permet pas de contrôler a posteriori la fréquence de résonance des nano-/microparticules fabriquées car la taille et le matériau de ces particules sont fixés lors de la fabrication.

L'invention concerne également un photodétecteur. Les systèmes d'imagerie comportent généralement une matrice de photodétecteurs, par exemple de type CMOS ou jonction p-n, dont la bande spectrale de chacun des photodétecteurs est fixe. L'imagerie en couleur nécessite la détection indépendante de plusieurs bandes spectrales : des photodétecteurs d'une même matrice doivent alors comporter des filtres de bandes spectrales différentes. Les photodétecteurs réalisés de cette manière ne sont pas accordables a posteriori et leur fabrication nécessite des étapes technologiques additionnelles qui ne sont pas compatibles avec les critères de fabrication CMOS.

L'invention vise à surmonter, complètement ou partiellement, au moins l'un des inconvénients précités de l'art antérieur.

Un objet de l'invention permettant d'atteindre ce but est un filtre optique comprenant:

une pluralité de nano-/microparticules semi-conductrices, présentant des propriétés de résonance électromagnétique dans le domaine optique et proche infrarouge, agencées sur un plan, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :

une couche à indice optique électriquement ajustable disposée sur la surface formée par lesdites nano-/microparticules et ledit plan;

une première couche électriquement isolante disposée sur ladite couche à indice optique électriquement ajustable et

- une électrode disposée sur ladite première couche électriquement isolante.

Avantageusement, le filtre comprend une seconde couche électriquement isolante dont une face coïncide avec ledit plan, ladite seconde couche électriquement isolante étant en contact avec desdites nano- /microparticules et la couche à indice optique électriquement ajustable.

Avantageusement, au moins une dite nano-/microparticule dudit filtre comporte un cœur semi-conducteur et une coquille semi-conductrice dont les propriétés électriques sont différentes et adaptées à former au moins une jonction choisie parmi une homojonction anisotype, une hétérojonction isotype et une hétérojonction anisotype.

Avantageusement, le filtre comporte au moins une coquille de matériau électriquement isolant dans lequel au moins une dite nano-/microparticule est entourée, au moins partiellement, d'une dite coquille de matériau électriquement isolant.

Avantageusement, au moins un matériau de ladite couche à indice optique électriquement ajustable dudit filtre est un matériau organique.

Avantageusement, le matériau de ladite couche à indice optique électriquement ajustable dudit filtre est choisi au moins parmi le poly(3,4- éthylènedioxythiophène), le polystyrène sulfonate de sodium, l'oxyde d'indium-étain, l'oxyde de zinc-aluminium, le poly(4,4-dioctylcyclopentadithiophene), le poly(methyl methacrylate) et des réseaux de nanotubes de carbone.

Avantageusement, la taille et le matériau desdites nano-/microparticules dudit filtre sont adaptés à permettre une résonance desdites nano-/microparticules pour des longueurs d'onde d'excitation comprises entre 300 nm et 2,5 μηι.

Avantageusement, le filtre comprend un premier circuit électrique connecté d'une part à une masse et d'autre part à ladite électrode, adapté à la polarisation de ladite couche à indice optique électriquement ajustable.

Avantageusement, l'indice optique du matériau de ladite seconde couche électriquement isolante est strictement inférieur à l'indice optique du matériau desdites nano-/microparticules et lesdites nano-/microparticules sont sensiblement hémisphériques, la partie plane des hémisphères formés par lesdites nano-/microparticules coïncidant avec ledit plan.

Un autre objet de l'invention est une matrice de dits filtres. Avantageusement, au moins deux dits premiers circuits de la matrice de filtres sont connectés de manière à imposer le même potentiel entre ladite masse et chaque dite électrode. Avantageusement, au moins un dit premier circuit électrique de ladite matrice de filtres optiques est adapté à imposer un potentiel indépendant desdits autres premiers circuits électriques, à au moins une dite électrode.

Un autre objet de l'invention est un photodétecteur à jonction p-n, comportant un filtre disposé sur une couche choisie parmi une couche dopée n et une couche dopée p de ladite jonction p-n.

Avantageusement, le photodétecteur comprend un dit filtre optique, dont le matériau de ladite couche à indice optique électriquement ajustable est conducteur.

Avantageusement, le photodétecteur comprend un second circuit électrique, dont deux bornes sont connectées à ladite couche à indice électriquement ajustable, ledit second circuit électrique étant adapté à détecter des variations de courant électrique aux dites bornes.

Un autre objet de l'invention est une matrice de dits photodétecteurs.

Avantageusement, au moins deux dits premiers circuits de la dite matrice de photodétecteurs sont connectés de manière à imposer le même potentiel entre ladite masse et chaque dite électrode.

Avantageusement, au moins un dit premier circuit électrique de ladite matrice de photodétecteurs est adapté à imposer un potentiel indépendant desdits autres premiers circuits électriques, à au moins une dite électrode.

Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un filtre optique, d'un photodétecteur, d'une matrice de filtres optiques et/ou d'une matrice de photodétecteurs comportant au moins les étapes suivantes : a) démouillage d'au moins une couche de matériau semi-conducteur préalablement déposée sur une dite seconde couche électriquement isolante; b) dépôt d'une dite couche à indice optique électriquement ajustable sur lesdits matériaux semi-conducteurs et isolant.

Avantageusement, le procédé comporte une étape initiale consistant à graver des motifs sur ladite couche d'au moins un dit matériau semi-conducteur, lesdits motifs contrôlant spatialement la formation de dites nano-/microparticules lors de l'étape a).

Avantageusement, on grave, dans le procédé, au moins une dite couche de matériau semi-conducteur avec une sonde ionique focalisée.

Avantageusement, le procédé comprend une étape consistant à graver au moins ladite couche à indice électriquement ajustable de manière à définir spatialement le(s)dit(s) filtre(s) optique(s), photodétecteur(s), matrice(s) de filtres optiques et/ou d'une matrice(s) de photodétecteurs.

Un autre objet de l'invention est un procédé de filtrage optique par d'un filtre optique, un photodétecteur, une matrice de filtres optiques et/ou une matrice de photodétecteurs, ledit procédé comportant au moins une étape consistant à ajuster la longueur d'onde de résonance desdites nano-/microparticules en pilotant le potentiel à la borne de ladite électrode.

La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention : ces exemples ne sont pas limitatifs de la portée de l'invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Par « nanoparticule », on entend une particule dont au moins la plus petite des dimensions est nanométrique, c'est-à-dire comprise entre 0,1 nm et 100 nm. Par « microparticule », on entend une particule dont au moins la plus petite des dimensions est micrométrique, c'est-à-dire comprise entre 0,1 μηι et 100 μηι.

Par « pixel », on entend au moins un élément choisi parmi un filtre et un photodétecteur d'une matrice dudit élément.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope à balayage électronique d'une galette de silicium sur isolant, en vue de dessus, après la formation de nano-/microparticules ; - la figure 2 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope à balayage électronique haute résolution, en vue de dessus, d'une nano- /microparticule ;

- la figure 3 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope électronique en transmission de la coupe d'une nano-/microparticule ;

- la figure 4 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope électronique en transmission de la coupe d'une nano-/microparticule ; - la figure 5 illustre la correspondance entre différents motifs de gravure et la distribution spatiale des nano-/microparticules sur la couche d'isolant ;

- la figure 6 est un montage composé d'une image en microscopie optique de réseaux de nano-/microparticules et de trois images en microscopie AFM indiquant des détails de ces réseaux ; la figure 7 illustre les résonances électromagnétiques des nano- /microparticules ; la figure 8 illustre schématiquement un filtre optique selon une réalisation de l'invention et une matrice de filtres optiques selon une réalisation de l'invention ; la figure 9 illustre l'ajustement de la fréquence de résonance des nano- /microparticules par imposition d'un potentiel à la couche à indice optique électriquement ajustable ; la figure 10 illustre schématiquement une matrice de filtres et de photodétecteurs selon des réalisations de l'invention ; la figure 1 1 illustre schématiquement une matrice de filtres et de photodétecteurs selon des réalisations de l'invention ; la figure 12 illustre une matrice de trois photodétecteurs selon des réalisations de l'invention ; la figure 13 illustre une matrice de trois photodétecteurs selon des réalisations de l'invention 15 ; - la figure 14 illustre une simulation de la transmission optique d'un filtre selon l'invention, en fonction de différents indices optiques d'un couche à indice optique électriquement ajustable et

- la figure 15 illustre des simulations de la transmission optique d'un filtre différent de l'invention, en fonction de la longueur d'onde d'excitation du filtre.

La figure 1 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope à balayage électronique d'une galette de silicium sur isolant (SOI), en vue de dessus, après la formation de nano-/microparticules 1 . Avantageusement, la méthode décrite par Abbarchi et al. peut être utilisée pour réaliser le réseau de nano- /microparticules illustré par la figure 1 . Une galette de silicium sur isolant est utilisée. Après un nettoyage des galettes de SOI, la couche d'oxyde natif du silicium peut être éliminée par gravure humide. Une couche épitaxiale de germanium peut être déposée sur la couche de silicium de la galette (on peut par exemple déposer 18 monocouches de germanium). L'échantillon est cuit, par exemple entre 750 et 880°C sous vide poussé, par exemple entre 10 ^"8 et 10 ^"10 Torr, pendant, par exemple, 30 à 120 minutes. Ces conditions mènent au démouillage des couches semi-conductrices sur l'isolant 3. Dans la figure 1 , la galette de SOI utilisée est caractérisée par une épaisseur d'isolant (Si0 ₂ ) de 25 nm et une épaisseur de silicium de 12 nm avant démouillage. La photographie de la figure 1 illustre la formation de nano-/microparticules 1 formées par démouillage de la couche de silicium et de la couche de germanium par ce procédé.

D'autre méthodes de réalisation de nano-/microparticules 1 semi- conductrices peuvent être utilisées. Par exemple, Proust et al. (Proust, J., Bedu, F., Chenot, S., Soumahoro, I., Ozerov, I., Gallas, B., ... & Bonod, N., 2015, Chemical Alkaline Etching of Silicon Mie Particles, Advanced Optical Materials) divulguent une méthode de lithographie chimique sélective pour des couches épaisses (par exemple 100 nm) de silicium sur isolant. On peut aussi utiliser l'auto-assemblage colloïdale (Garin, M., Fenollosa, R., Alcubilla, R., Shi, L., Marsal, L. F., & Meseguer, F., 2014, All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared région. Nature communications, 5), l'impression nanométrique combinée à la gravure ionique (Spinelli, P., Verschuuren, M. A., & Polman, A., 2012, Broadband omnidirectional antireflection coating based on subwavelength surface Mie resonators, Nature communications, 3, 692) ou l'ablation laser (Kuznetsov, A. I., Miroshnichenko, A. E., Fu, Y. H., Zhang, J., & Luk'yanchuk, B., 2012, Magnetic light. Scientific reports, 2).

La figure 2 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope à balayage électronique à haute résolution, en vue de dessus, d'une nano- /microparticule 1 . Cette nano-/microparticule 1 est réalisée selon la méthode décrite dans la figure 1 . Certaines des faces correspondant aux plans cristallographiques (31 1 ) sont indiquées par les cercles blancs en pointillés et par les flèches blanches. De manière générale, la méthode décrite dans la figure 1 et la méthode décrite par Proust et al. permettent avantageusement la fabrication de nano-/microparticules 1 dont la structure est cristalline. En particulier, une nano-/microparticule 1 comportant une surface atomiquement lisse permet de minimiser les états électroniques de surface. Des défauts sur la surface de ces nano-/microparticules peuvent entraîner des pertes de charge significatives, par exemple par recombinaisons. En variante, les nano-/microparticules 1 peuvent être dans réalisées avec un matériau diélectrique.

La figure 3 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope électronique en transmission de la coupe d'une nano-/microparticule 1 . Cette nano- /microparticule est réalisée selon la méthode décrite dans la figure 1 . Le cœur semiconducteur 19 de la particule 1 est en silicium tandis que sa coquille semi- conductrice 20 est en alliage Si ₀ .7Ge ₀ .3. La formation d'une coquille est possible grâce à la superposition des couches de silicium et de germanium préalable au démouillage. D'une manière plus générale, les nano-microparticules 1 des réalisations de l'invention peuvent comporter un cœur semi-conducteur 19 et une coquille semi-conductrice 20 dont les propriétés électriques sont différentes et adaptées à former au moins une jonction électrique choisie parmi une homojonction anisotype, une hétérojonction isotype et une hétérojonction anisotype.

La figure 4 illustre la structure d'une nano-microparticule 1 . Le panneau A de la figure 4 est une photographie obtenue au moyen d'un microscope électronique en transmission de la coupe d'une nano-/microparticule 1 . Dans cette réalisation de l'invention, la nano-/microparticule 1 comporte un cœur semi- conducteur 19 en silicium et une coquille semi-conductrice 20 en alliage de silicium et de germanium. La nano-/microparticule 1 est entourée de matériau isolant, en l'occurrence de dioxyde de silicium : sur sa face inférieure par une seconde couche électriquement isolante 3 et sur sa surface supérieure par une coquille partielle de matériau électriquement isolant 18. Dans des réalisations de l'invention, comprenant la réalisation décrite dans la figure 4, une jonction MIS (acronyme de Métal Insulator Semiconduc^ est réalisée : le matériau de la couche à indice optique électriquement ajustable 5 est le platine ; il est métallique et conducteur. L'isolant est réalisé par la coquille de matériau électriquement isolant 18 en silice et le semiconducteur est réalisé par la nano-/microparticule 1 . L'encart de la figure 4 illustre une transformée de fourrier effectuée au moyen d'une photographie à résolution atomique (non montrée) du cœur 19. Cette transformée de Fourier confirme la cristallinité des nano-/microparticules 1 . Le panneau B de la figure 4 est un montage de trois photographies des nano-/microparticules 1 , obtenues au moyen d'analyses dispersives en énergie (spectroscopie EDX). De gauche à droite, les niveaux de gris les plus clairs montrent respectivement la présence de germanium, de silicium et de dioxyde de silicium.

La figure 5 illustre la correspondance entre différents motifs 1 1 de gravure et la distribution spatiale de la ou des nano-/microparticules 1 sur la couche d'isolant 3. Différents motifs peuvent être gravés sur une galette de SOI avant de réaliser les nano-/microparticules utilisant la méthode décrite dans la figure 1 . Ces gravures peuvent être réalisées par une sonde ionique focalisée (FIB, par exemple en utilisant une sonde Tescan LYRA 1 XMH dual-beam). La colonne de gauche présente des motifs 1 1 utilisés pour la gravure FIB. La colonne de droite présente, à la même échelle, des images en microscopie optique en champ sombre, dont chaque côté de l'image représente 4 μηι. Les images de la colonne de droite illustrent la distribution spatiale des nano-/microparticules 1 formées en utilisant la méthode décrite dans la figure 1 précédée de la gravure des motifs 1 1 correspondants. La gravure de motifs permet de créer de manière contrôlée des défauts sur la couche ou l'empilement de couches de semi-conducteurs avant leur démouillage. Ces défauts permettent de contrôler la nucléation ou la formation d'instabilités de type Rayleigh et d'aboutir à la formation des nano-/microstructures 1 . La gravure de différents motifs permet de réaliser un démouillage assisté, en opposition au démouillage spontané réalisé sans gravure.

La figure 6 est un montage composé d'une image en microscopie optique de réseaux de nano-/microparticules 1 et de trois images en microscopie AFM, en encarts, indiquant des détails de ces réseaux. Les réseaux de particules 1 sont réalisés par la méthode décrite dans la figure 5, comprenant une étape de gravure de motifs 1 1 suivie d'une étape de démouillage de la ou des couches semi- conductrices. De gauche à droite de l'image, le pas de l'espacement centre à centre entre particules 1 d'un réseau est respectivement de 500 nm, 750 nm et 1000 nm. Le réseau de droite illustre une distribution bimodale des nano-/microparticules 1 , alternant un pas de 750 nm et de 1000 nm entre les centres des différentes nano- /microparticules 1 selon la direction allant de bas en haut de l'image.

La figure 7 illustre les résonances électromagnétiques des nano- /microparticules 1 . Le panneau A de la figure 6 illustre un exemple du spectre de diffusion en champ sombre d'une nanoparticule 1 unique réalisée selon la méthode décrite dans la figure 5. Deux résonances en diffusion, M _R et E _R sont visibles. Le panneau B de la figure 6 illustre des simulations réalisées selon la méthode des éléments finis de l'intensité électrique IEI ² et de l'intensité magnétique IBI ² au voisinage et dans une nanoparticule 1 . Dans les simulations présentées, la largeur de la nanoparticule est de 356 nm et sa hauteur est de 65 nm. Les simulations prennent en compte une nanoparticule 1 disposée sur une couche d'isolant 3 et entourée sur le reste de sa surface par de l'air 6. Des résultats des simulations sont illustrés pour le mode de résonance M _R (images du haut) et le mode de résonance E _R (images du bas). Les simulations selon les modes E _R et M _R sont réalisées en considérant une excitation par une onde plane inclinée de 70° par rapport au plan formé par la surface de la couche d'isolant et suivant une rotation par rapport à un axe compris dans le plan de la coupe illustrée. Dans le cas d'une résonance en mode MR, la nanoparticule 1 présente deux maxima spatiaux d'intensité IEI ² et un maximum spatial d'intensité IHI ² en son centre. Ces caractéristiques indiquent la dominance d'un mode M _R magnétique dipolaire. Dans le cas d'une résonance en mode E _R, la nanoparticule 1 présente un maximum spatial d'intensité IEI ² en son centre et deux maxima spatiaux d'intensité IH I ² . Ces caractéristiques indiquent la dominance d'un mode de résonance électrique dipolaire.

La figure 8 illustre schématiquement un filtre optique 14 selon une réalisation de l'invention et une matrice 10 de filtres optiques 14 selon une réalisation de l'invention. Le panneau A de la figure 8 illustre schématiquement une vue de coupe d'un filtre 14 selon une réalisation de l'invention, et le panneau B de la figure 8 présente une matrice 10 de trois filtres 14 selon une réalisation de l'invention. Dans le panneau A, une pluralité de nano-/microparticules 1 sont agencées à la surface d'un plan (fictif) 22. Dans une réalisation de l'invention, les nano-/microparticules 1 sont réalisées en silicium, en germanium, dans un alliage de silicium et de germanium, ou plus généralement en matériau(x) semiconducteurs), ou dans un (des) matériau(x) diélectrique dont l'indice optique est supérieur à 1 ,5 préférentiellement à 2,5, et préférentiellement supérieur à 3.

Avantageusement, dans la réalisation illustrée dans la figure 8, le filtre comporte une seconde couche électriquement isolante 3. La face supérieure de la couche 3 coïncide avec le plan 22. La couche 3 est alors en contact avec les nano- /microparticules 1 . Cette couche 3 peut être par exemple réalisée en Si0 ₂ . D'autres types de matériaux isolants peuvent être utilisés. La seconde couche isolante 3 peut être agencée sur un substrat 2 qui peut avantageusement comporter un transducteur optoélectronique, comme un photodétecteur ou une diode électroluminescente. Les nano-/microparticules 1 de réalisation de l'invention décrite en figure 8 peuvent être fabriquées en utilisant le procédé décrit par Abbarchi et al.

La surface formée par le plan 22 et les nano-/microparticules 1 est recouverte d'une couche à indice optique électriquement ajustable 5. Avantageusement, dans une réalisation de l'invention décrite précédemment comportant une seconde couche électriquement isolante 3, le plan 22 coïncide avec une des faces de la couche 3 : l'ensemble formé par la couche 3 et par les nano- /microparticules 1 est recouvert d'une couche à indice optique électriquement ajustable 5. Dans d'autres réalisations de l'invention, une face d'un substrat peut coïncider avec le plan 22 ; la couche à indice optique électriquement ajustable 5 recouvre alors la surface formée par la face supérieure du substrat et les nano- /microparticules 1 . Dans ces deux cas, et de manière générale, le plan 22 coïncide avec une couche dont le potentiel électrique est relié électriquement, de manière directe ou indirecte à un potentiel sensiblement fixe et/ou stationnaire par rapport aux variations du potentiel électrique imposé à l'électrode 7, de manière à fixer un champ électrique contrôlé dans le filtre 14.

Le matériau de cette couche est considéré « à indice optique électriquement ajustable » quand la partie réelle de son indice de réfraction peut être modifiée par la variation d'un champ électrique ou d'un courant électrique appliqué au matériau. Cette propriété peut provenir de l'injection de porteurs de charges, ou d'autres effets, comme par exemple l'effet Kerr, l'effet Pockels, l'électro- absorption ou l'effet Franz-Keldysh. D'autres effets peuvent aussi être considérés lors de l'utilisation de polymères comme le gonflage et l'effondrement électrostatique ou la diffusion contrôlée d'ions au sein du ou des polymères. Dans des réalisations de l'invention, le ou les matériaux de cette couche peuvent être choisis parmi de l'oxyde d'indium-étain (ITO), de l'oxyde de zinc-aluminium, des réseaux de nanotubes de carbone, ou un matériau organique tel que le poly(3,4- éthylènedioxythiophène) (PEDOT), le poly(4,4-dioctylcyclopentadithiophene), le polystyrène sulfonate de sodium (PSS) et le poly(methyl methacrylate) (PMMA). On peut aussi utiliser une couche de cristaux liquides associée à une ou plusieurs couches de polymères d'alignement (par exemple du polyvinyl acétate) pour réaliser une couche à indice optique électriquement ajustable 5. Une méthode d'ajustement thermique de la résonance de nano-/microparticules utilisant de tels cristaux liquides est par exemple présentée dans Sautter, J., Staude, I., Decker, M., Rusak, E., Neshev, D. N., Brener, I., & Kivshar, Y. S., 2015, Active Tuning of All-Dielectric Metasurfaces. Cette méthode présente les défauts de nécessiter plusieurs couches pour permettre d'initier un alignement adéquat des cristaux liquides en phase nématique et de permettre un ajustement sur une gamme de longueurs d'onde très restreinte (sensiblement 100 nm dans les proches infrarouges). Avantageusement, au moins un matériau de la couche à indice optique électriquement ajustable 5 est un matériau organique. Avantageusement, le matériau de la couche 5 peut être un mélange de PEDOT et de PSS. De manière générale, le ou les matériaux de la couche à indice optique électriquement ajustable 5 sont préférentiellement solides : ils peuvent être par exemple amorphes ou cristallins. Ils peuvent sinon par exemple comporter une phase liquide.

Différentes méthodes peuvent être utilisées pour déposer la couche à indice optique électriquement ajustable 5, telles que la pulvérisation cathodique pour des matériaux métalliques, ou l'enduction centrifuge {spin coating en anglais) pour des matériaux organiques.

Dans cette réalisation de l'invention, la couche à indice optique électriquement ajustable 5 est sensiblement transparente. La couche à indice optique électriquement ajustable 5 est recouverte par une première couche électriquement isolante 8. Cette couche 8 peut être réalisée en Si0 ₂ , par exemple par une méthode de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma (PE-CVD), par oxydation thermique rapide (RTP) ou plus généralement par d'autres méthodes d'oxydations si la couche à indice optique électriquement ajustable 5 y est compatible.

La première couche isolante 8 est recouverte par une couche de matériau électriquement conducteur, soit une électrode 7. Dans les différentes réalisations de l'invention, l'électrode est sensiblement transparente. Elle peut par exemple être réalisée en or par évaporation, dans le cas d'une couverture de larges surfaces, ou par injection de gaz assistée par FIB pour la réalisation de circuiteries précises. L'électrode 7 peut également être réalisée en ITO. Une gravure peut être effectuée sur le filtre 14 décrit précédemment, par exemple par FIB ou par rayon d'électrons {E-beam), sur les différentes couches situées sur la seconde couche isolante 3. Cette gravure peut permettre de délimiter spatialement une pluralité de filtres 14, soit différents pixels, et ainsi de former une matrice 10 de filtres 14.

Le panneau B de la figure 8 présente une matrice 10 de trois filtres 14, (ou trois pixels), après une gravure de définition des pixels décrite au paragraphe précédent. La figure 9 illustre l'ajustement de la fréquence de résonance des nano-

/microparticules 1 par imposition d'un potentiel à la couche à indice optique électriquement ajustable 5. Le panneau A de la figure 9 illustre une réalisation de l'invention dans laquelle un premier circuit 13 est connecté d'une part à la masse (substrat 2 dans cette réalisation) et d'autre part à l'électrode 7 du dispositif décrit dans le panneau A de la figure 7. Ce premier circuit permet d'imposer une différence de potentiel contrôlée entre les deux faces supérieure et inférieure de la couche à indice optique électriquement ajustable 5. Dans cette réalisation de l'invention, les nano-/microparticules 1 ont des tailles différentes et la couche à indice optique électriquement ajustable 5 est un mélange de PEDOT et de PSS. Le panneau B de la figure 9 illustre des photographies de diffusion en champ sombre des nano-/microparticules 1 pour différents potentiels appliqués par le premier circuit 13. Chaque photographie illustre un champ de 2 μηι de côté.

Trois séries d'images sont illustrées. Chacune d'entre elles présente, de haut en bas des canaux de couleurs différentes, et de gauche à droite, des potentiels appliqués à la couche à indice optique électriquement ajustable 5 différents. Les canaux de couleur sont rouge (R), vert (G) et bleu (B). De gauche à droite, les images correspondent à une séquence de potentiels imposés allant de 0 à 30 V puis à un potentiel de 0 V.

L'observation de l'intensité lumineuse du canal R de la première série permet par exemple de mesurer une diminution de l'intensité lumineuse diffusée par la nano-/microparticule 1 centrale quand des potentiels de 0 V à 30 V sont appliqués, puis une augmentation de cette intensité quand le potentiel appliqué revient à 0 V. De manière complémentaire, l'observation de l'intensité lumineuse du canal G de la première série permet de mesurer une augmentation de l'intensité de diffusion de la nano-/microparticule 1 centrale quand des potentiels de 0 V à 30 V sont appliqués, puis une diminution de cette intensité quand le potentiel appliqué revient à 0 V. Ces variations se traduisent, en considérant les trois canaux de couleurs, par une variation de la couleur observée de la nano-/microparticule 1 centrale : de 0 V à 30 V, la couleur émise par la nano-/microparticule 1 varie d'une dominante rouge à une dominante verte et revient à une dominante rouge quand le potentiel de 0 V est imposé. Les nano-/microparticules 1 des deux autres séries présentent des comportements similaires. Cet exemple de réalisation de l'invention permet d'illustrer l'ajustement de la fréquence de résonance de différentes nano- /microparticules 1 dans le spectre du visible par l'application d'un potentiel électrique variable par le premier circuit 13. Dans d'autres réalisations de l'invention, l'ajustement de la résonance des nano-/microparticules 1 peut être effectué pour des longueurs d'onde du proche infrarouge, par exemple pour des longueurs d'onde comprises dans une gamme allant de 800 nm à 2,5 μηι.

L'invention concerne également des photodétecteurs 15 basés sur de tels filtres 14, tirant parti du caractère sélectif et accordable du spectre lumineux des filtres 14. Un filtre 14 selon l'invention peut être disposé sur un photodétecteur conventionnel, par exemple un pixel d'un capteur matriciel CCD ou CMOS, ou servir lui-même de photodétecteur. La figure 10 illustre schématiquement une matrice 10 de photodétecteurs 15 réalisés au moyen de filtres 14 selon des réalisations de l'invention. La matrice de filtres de la réalisation illustrée en figure 10 peut être fabriquée par les méthodes présentées lors de la description des figures précédentes. Dans une réalisation de l'invention, chaque filtre 14 comporte une pluralité de nano-/microparticules 1 . Les nano-/microparticules 1 d'un même filtre 14 sont toutes sensiblement de la même taille, et sont de tailles différentes selon les filtres 14 de la matrice 10. Ainsi, la couleur entre des filtres 14 d'une matrice 10 peut varier en fonction d'une combinaison de deux facteurs indépendants : la taille des nano-/microparticules 1 et l'indice optique de la couche 5 de chaque filtre, imposé par la ou les polarisations desdites couches 5.

Le matériau de la couche à indice optique électriquement ajustable 5, d'indice optique noté n, peut être conducteur ou semi-conducteur. Il peut être adapté à créer, en association avec des nano-/microparticules 1 , des charges lors de la résonance électromagnétique desdites nano-/microparticules 1 à leur interface. On peut par exemple utiliser un mélange de PSS-PEDOT pour cette réalisation de l'invention : une variation de champ électromagnétique dans les nano- /microparticules 1 permet la formation des charges dans le dispositif et leurs transports vers, par exemple, un second circuit électrique 9.

Ces charges peuvent être aussi créées à la jonction formée entre le semi-conducteur d'une particule 1 et par le contact électrique formé par le matériau de la couche à indice optique électriquement ajustable 5. Dans des réalisations de l'invention, la jonction entre les nano-/microparticules 1 et la couche à indice optique électriquement ajustable 5 peut être de type métal-semi-conducteur (comportement d'une barrière de Schottky), de type p-n ou de type métal-isolant-semi-conducteur (MIS). Les jonctions de types p-n peuvent être réalisées en utilisant des nano- /microparticules fabriquées selon la méthode décrite dans Abbarchi et al. et en utilisant par exemple avant démouillage une couche de silicium sur laquelle est disposée une couche épitaxiale de germanium dopée par exemple avec de l'antimoine et/ou du bore. Après démouillage, les nano-microparticules 1 formées peuvent comporter une coquille semi-conductrice 20 de composition Si _x Ge ₍ i - _x) (x étant la proportion de Silicium) autour du cœur de la particule comportant du silicium. Un exemple d'une telle nano-/microparticule est illustré dans la figure 2. Dans d'autres réalisations de l'invention, des jonctions de type Schottky peuvent être réalisées à l'interface entre les particules 1 et la couche 5. La figure 4 décrit par exemple une jonction de type MIS entre la couche à indice optique électriquement ajustable 5 et la nano-/microparticule 1 . L'épaisseur de la coquille de matériau électriquement isolant 18 peut être réduite de manière à être inférieure à 10 nm et préférentiellement à 5 nm pour permettre de transférer des charges au travers du matériau isolant par effet tunnel. La réduction de cette épaisseur peut être réalisée par gravure isotrope de la silice par exemple.

La figure 1 1 illustre une matrice de trois photodétecteurs 15, chaque détecteur comportant un filtre 14 relié à un second circuit électrique 9 par la couche à indice optique électriquement ajustable 5, dans le cas de la réalisation décrite précédemment. Les charges créées par la résonance des nano-/microparticules 1 , peuvent être détectées par un second circuit électrique. Cette détection peut-être réalisée en deux étapes. Une première étape peut consister à illuminer les nano- /microparticules 1 , entraînant le chargement d'une capacité quand l'interrupteur du second circuit 9 est ouvert. Une seconde étape peut consister à fermer l'interrupteur du second circuit et de la lecture de la charge accumulée dans la capacité par un ampèremètre (A1 , A2 ou A3 sur la figure 9) ou un oscilloscope par exemple, par intégration de charge par exemple.

Dans une réalisation de l'invention, un premier circuit électrique 13 peut relier au moins deux filtres 14 et/ou deux photodétecteurs 15 de manière à imposer le même potentiel V ₀ entre une masse électrique et les électrodes 7 de chaque filtre 14 et/ou détecteur 15 relié au premier circuit. Avantageusement, le premier circuit peut être relié à l'ensemble des filtres 14 et/ou photodétecteurs 15 de la matrice. Ces exemples permettent de travailler à une polarisation constante de la couche à indice optique électriquement ajustable 5 d'une partie ou de l'ensemble des filtres et/ou des photodétecteurs.

La figure 1 1 illustre schématiquement une matrice 10 de filtres 14 et de photodétecteurs 15 selon des réalisations de l'invention. Dans une réalisation de l'invention, une partie des nano-/microparticules 1 , ou avantageusement l'ensemble des nano-/microparticules 1 ont la même taille. Ces nano-/microparticules 1 sont illustrées par des lobes noirs sur la figure 10. Dans cette réalisation de l'invention, chacun des filtres 14 est relié à un premier circuit électrique 13 par l'électrode 7 du filtre. Chacun des filtres peut être polarisé en imposant un potentiel indépendant des autres à l'électrode 7 d'un filtre : dans la figure 10, le potentiel V1 est imposé à l'électrode du filtre de droite, le potentiel V2 est imposé à l'électrode du filtre du milieu et le potentiel V3 est imposé à l'électrode du filtre de gauche. Respectivement, les indices optiques des filtres, n _{1 ;} n ₂ et n _3, sont différents (le matériau de la couche à indice optique électriquement ajustable 5 peut être le même). Comme décrit en figure 8, la polarisation du filtre permet d'ajuster la fréquence de résonance du filtre pour des nano-/microparticules données. Dans le cas de la figure 1 1 , les nano-/microparticules sont de tailles sensiblement égales et on peut ajuster chacun des filtres 14 à des fréquences de résonance différentes en appliquant des potentiels différents. L'application de potentiels différents permet de réaliser des filtres de couleurs différentes. Dans d'autres réalisations de l'invention, un premier circuit électrique 13 peut être relié à une partie des filtres 14 de la matrice de manière à imposer un potentiel indépendant des autres filtres 14 de la matrice.

La réalisation de l'invention illustrée en figure 1 1 comporte trois photodétecteurs, chaque photodétecteur comprenant un filtre 14 et un second circuit 9. Comme décrit précédemment, l'imposition de potentiels différents par les premiers circuits 13 permet d'obtenir des filtres 14 de couleurs différentes. On peut alors détecter l'intensité lumineuse pour des couleurs différentes en imposant des potentiels V _{1 ;} V ₂ et V ₃ différents au moyen des premiers circuits, et en détectant les charges produites par une exposition lumineuse avec les seconds circuits 9. Dans une autre réalisation de l'invention, un premier circuit électrique 13 peut être relié à une partie des photodétecteurs 15 de la matrice 10 de manière à imposer un potentiel indépendant des autres photodétecteurs 15 de la matrice.

Dans une réalisation de l'invention, on peut filtrer une lumière incidente en imposant un potentiel contrôlé à un ou plusieurs filtres, compris dans des photodétecteurs. Lors du filtrage, le ou les potentiels imposés à des électrodes 7 d'une matrice 10 sont pilotés par une unité de traitement de manière à filtrer la lumière à la ou aux fréquences de résonance paramétrées par un utilisateur.

La figure 12 illustre une matrice de trois photodétecteurs 15 selon des réalisations de l'invention. Dans ces réalisations de l'invention, les différents filtres 14 ne comportent pas de seconde couche électriquement isolante 3 ; ils sont fabriqués selon le procédé décrit dans Proust et al. Chacun des filtres 14 est inclus dans un photodétecteur à jonction p-n : le plan 22 sépare dans cette réalisation de l'invention un filtre 14 d'une couche de matériau semi-conducteur dopée p 16 de la photodiode à jonction p-n. Plus généralement, chacun des filtres 14 peut être disposé sur une couche dopée p 16 ou sur une couche dopée n 17 de la jonction p- n. De manière similaire au circuit décrit en figure 10, un premier circuit électrique 13 peut relier au moins deux filtres 14 et/ou deux photodétecteurs 15 de manière à imposer le même potentiel V ₀ entre une masse électrique et les électrodes 7 de chaque filtre 14 et/ou détecteur 15 relié au premier circuit. Avantageusement, le premier circuit peut être relié à l'ensemble des filtres 14 et/ou photodétecteurs 15 de la matrice.

Dans cette réalisation de l'invention, une borne d'un troisième circuit 23 est connectée à la couche dopée p 16 d'une jonction p-n d'un photodétecteur et une autre borne d'un troisième circuit 23 est connectée à la couche dopée n 17 d'une jonction p-n du même photodétecteur. Le troisième circuit 23 permet la récupération des charges créées lors d'une illumination de la jonction p-n transmise par le filtre 14. Les pointillés verticaux séparant deux pixels schématisent une séparation électrique entre les différentes jonctions p-n correspondant aux différents pixels de la matrice.

La réalisation de l'invention illustrée dans la figure 12, dont chacun des pixels est polarisé par V ₀ est typiquement adaptée à une matrice dans laquelle la différence de couleur des filtres est en partie due à la présence de nano- /microparticules 1 sensiblement de même taille pour un pixel considéré mais de tailles différentes pour deux pixels considérés de couleurs différentes. La figure 13 illustre une matrice de trois photodétecteurs 15 selon des réalisations de l'invention. Dans ces réalisations de l'invention, les différents filtres 14 ne comportent pas de seconde couche électriquement isolante 3 ; ils sont fabriqués selon le procédé décrit dans Proust et al. Chacun des filtres 14 est inclus dans un photodétecteur à jonction p-n : le plan 22 sépare dans cette réalisation de l'invention un filtre 14 d'une couche de matériau semi-conducteur dopée p 16 de la photodiode à jonction p-n. Plus généralement, chacun des filtres 14 peut être disposé sur une couche dopée p 16 ou sur une couche dopée n 17 de la jonction p- n. De manière similaire au circuit décrit en figure 1 1 , chacun des filtres 14 est relié à un premier circuit électrique 13 par l'électrode 7 du filtre. Chacun des filtres peut être polarisé en imposant un potentiel indépendant des autres à l'électrode 7 d'un filtre : dans la figure 13, le potentiel \ est imposé à l'électrode du filtre de gauche, le potentiel V ₂ est imposé à l'électrode du filtre du milieu et le potentiel V ₃ est imposé à l'électrode du filtre de droite. Respectivement, les indices optiques des filtres, n _{1 ;} n ₂ et n _3, sont différents. Comme décrit en figure 8, la polarisation du filtre permet d'ajuster la fréquence de résonance du filtre pour des nano-/microparticules données. Dans le cas de la figure 13, les nano-/microparticules sont de tailles sensiblement égales et on peut ajuster chacun des filtres 14 à des fréquences de résonance différentes en appliquant des potentiels différents. L'application de potentiels différents permet de réaliser des filtres de couleurs différentes. Dans d'autres réalisations de l'invention, un premier circuit électrique 13 peut être relié à une partie des filtres 14 de la matrice de manière à imposer un potentiel indépendant des autres filtres 14 de la matrice. Dans cette réalisation de l'invention, une borne d'un troisième circuit 23 est connectée à la couche dopée p 16 d'une jonction p-n d'un photodétecteur et une autre borne d'un troisième circuit 23 est connectée à la couche dopée n 17 d'une jonction p-n d'un photodétecteur. Le troisième circuit 23 permet la récupération des charges créées lors d'une illumination de la jonction p-n transmise par le filtre 14. Les pointillés verticaux séparant deux pixels schématisent une séparation électrique entre les différentes jonctions p-n correspondant aux différents pixels de la matrice.

La figure 14 illustre une simulation de la transmission optique d'un filtre 14 selon l'invention, en fonction de différents indices optiques d'une couche à indice optique électriquement ajustable 5. La simulation est réalisée selon la méthode de Différences Finies - Domaine Temporelle (DFDT). Dans cette méthode, les objets simulés dans l'espace sont discrétisés sur dans une maille en 3 dimensions, répétée périodiquement. Le filtre 14 simulé comprend des nano-/microparticules 1 cylindriques en silicium, disposées sur un plan 22 en silicium et séparées périodiquement d'une distance de 230 nm. Une couche à indice optique électriquement ajustable 5 est disposée sur le plan 22 et sur et/ou autour de la nano/-microparticule 1 . La simulation illustrée est réalisée en considérant une maille comprenant un plan 22 à la surface supérieure d'un substrat en silicium, d'une largeur de 230 nm, une nano-/microparticules 1 cylindrique d'une hauteur de 150 nm et d'un diamètre de 160 nm et une couche de couche à indice optique électriquement ajustable 5 disposée sur la surface formée par la nano- /microparticules 1 d'une maille et ledit plan 22. Les quatre courbes correspondent à des simulations paramétrées avec des indices optiques de la couche 5 différents (la courbe (a) correspond à n _amb = 1 ,4, la courbe (b) correspond à n _amb = 1 ,5, la courbe (c) correspond à n _amb = 1 ,6 et la courbe (d) correspond à n _amb = 1 ,7). La zone grisée correspond à une gamme de longueur d'onde (par exemple entre 350 et 450 nm) dans laquelle la longueur d'onde d'un pic de transmission du filtre est particulièrement dépendante de l'indice optique de la couche 5. Ainsi, pour des valeurs de l'indice optique n _amb variant de 1 ,4 à 1 ,7, la longueur d'onde du pic de transmission dans cette gamme de longueur d'onde varie d'environ 370 nm à 450 nm. La figure 15 illustre des simulations de la transmittance optique d'un filtre différent de l'invention, en fonction de la longueur d'onde d'excitation du filtre. Les simulations sont réalisées selon la méthode des Différences Finies - Domaine Temporelle (DFDT). Dans cette méthode, les objets simulés dans l'espace sont discrétisés sur dans une maille en 3 dimensions, répétée périodiquement. Le filtre simulé comprend des nano-/microparticules 1 cylindriques en silicium-germanium disposées sur un plan 22. Le plan 22 coïncide avec une seconde couche électriquement isolante 3, en Si0 ₂ dans le cas de la simulation. Une électrode 7 est disposée au dessus d'une ou plusieurs nano-/microparticules 1 et de la seconde couche électriquement isolante 3. Une couche de silicium est disposée en dessous de la seconde couche électriquement isolante 3. Les nano-/microparticules 1 simulées sont sensiblement hémisphériques, la partie plane des hémisphères formés par les nano-/microparticules 1 coïncidant avec le plan 22, et dans le cas particulier de la simulation avec une seconde couche électriquement isolante 3 en Si0 ₂ . Le panneau A de la figure 15 illustre la transmittance de ce type de filtre. Le panneau B de la figure 15 illustre la réflectance de ce type de filtre. Dans les panneaux A et B, les courbes (a) correspond à un une simulation paramétrée avec un rayon r de l'hémisphère formé par une nano-/microparticule égal à 80 nm. Les courbes (b) correspondent à un rayon de 90 nm et les courbe (c) correspondent à un rayon de 100 nm.

Les inventeurs ont découvert que d'une manière générale, la combinaison de nano-microparticules 1 sensiblement hémisphériques disposées sur une seconde couche électriquement isolante 3 dont l'indice optique est inférieur à l'indice optique des nano-microparticules 1 permet de réaliser un filtre sélectif aux longueurs d'ondes. Par exemple, la transmittance est particulièrement basse pour des longueurs d'onde comprises entre 550 nm et 650 nm dans la réalisation illustrée dans le panneau A de la figure 15. On peut utiliser cette caractéristique dans un filtre 14 selon l'invention, comprenant entre autre une couche à indice optique électriquement ajustable 5 et une première couche électriquement isolante 8 disposée sur ladite couche à indice optique électriquement ajustable 5 de manière à réaliser un filtre électriquement ajustable et sélectif. Les inventeurs ont en outre découvert que la sélectivité du filtre est optimisée quand l'indice optique de la seconde couche électriquement isolante 3 est strictement inférieur à l'indice de la nano-/microparticule 1 . Plus particulièrement, la sélectivité du filtre est optimisée quand le rapport de l'indice optique des nano-/microparticules 1 sur l'indice optique d'une seconde couche électriquement isolante 3 est élevé, préférentiellement supérieur à 2. On peut ainsi utiliser du Si0 ₂ et/ou du Ti0 ₂ pour la réalisation de la seconde couche électriquement isolante 3.