Brevet FR2150289A1 — publié le 19730406

La présente invention concerne un dispositif de mesure servant à déterminer la dépendance locale de l'intensité et/ou du temps de rectal du rayonnement sur la bande de rayonnement d'une source à semi-conducteur. Jusqu'à présent, il n'était pas possible de déterminer la dépendance locale de l'intensité et/ou du temps de retard du rayonnement de recombinaison en raison des temps de retard très courts dans le domaine intéressé ( C 10 11sec) Bes éléments de construction électroniques connus présentent pour cet emploi une limite de fréquence supérieure trop peu élevée. C'est pourquoi des mesures ne peuvent être effectuées lorsqu'il s'agit de 10 11 sec qu'avec des dépenses tech- niques considérables et avec des erreurs relatives importantes. Il était jusqu'ici impossible de déterminer pour la durée de vie des porteurs des différences inférieures à 10 10 sec. Une telle détermination est cependant nécessaire pour découvrir des non-homogénéités d'éléments de construction semi-conducteurs optiques, sans pour autant les endommager. C'est ainsi, par exemple, qu'il n'était pas possible de déceler des dislocations dans les cristaux et dans des centres de recombinaison ayant rapport à des particularités d'absorption des matières semiconductrices. En plus, il n'était pas possible de déterminer, par des moyens connus, les différences de phase et limites de fréquence locales d'un signal modulé émanant de la source de rayonnement. Toutefois, la connaissance de ces paramètres locaux est indispensable, par exemple pour la précision de mesure des appareils optico-électriques mesurant des distances. Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention se propose de créer un dispositif de mesure permettant de mesurer des différences des temps de relaxation, de préférence avec la détermination simultanée de l'intensité. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'à la suite d'un récepteur de rayonnement est monté un phasemètre, qu'entre la source de rayonnement à semi-conducteur et le récepteur de rayonnement est disposé un système optique grossissant qui comporte un diaphragme et reproduit sur le diaphragme la surface du rayonnement de la source à semi conducteur, qu'il est prévu une source d'excitation pour la source de rayonnement à semi conducteur, excitant cette dernière périodiquement et qu'il est prévu en outre des moyens opticomécaniques servant à produire un déplacement relatif et mesurable de l'image de la surface de rayonnement par rapport au diaphragme. Be dispositif de mesure conforme à l'invention permet une détermination exacte des temps de retard inférieurs à 10 11 sec par la conversion de la mesure de phase en mesure de temps. Au moyen d'une fréquence de modulation de 100 NHz et d'une précision de mesure de la phase de 0,30 on peut par exemple déjà déterminer des temps de retard de l'ordre de 10 11sec. Par conséquent, le dispositif de mesure suivant l'invention permet de déterminer exactement les non-homogénéités apparaissant dans les matières semi-conductrices et en plus, pour des diodes laser, en dessous du seuil d'émission, la valeur constante du temps de la recombinaison spontanée en fonction de l'emplacement. Etant donné que la mesure de phase est techniquement plus facile pour des basses fréquences que pour des fréquences élevées, il est avantageux de prévoir des moyens électriques permettant l'utilisation du procédé à superhétérodyne. En raison de la simplicité d'une amplification sélective, on effectue dans ce cas la transposition dans le récepteur ou immédiatement après celui-ci. La phase de référence pour le phasemètre peut être fournie, par l'intermédiaire d'un système récepteur, aussi bien par la source d'excitation que par une partie de la surface de rayonnement. On peut utiliser comme source d'excitation une source de rayonnement périodiquement modulée et émettant un faisceau de rayons optiques ou d'électrons ou bien un générateur d'oscillations électriques qui injecte dans la source de rayonnement à semi-conducteur elle-même, des porteurs qui, à leur tour, excitent celle-ci. Pour pouvoir régler le dispositif de mesure sur une certaine zone à examiner, de la surface de rayonnement, il est avantageux de disposer entre cette surface et le récepteur un dispositif servant à observer l'image de la surface de rayonnement reproduite dans le plan du diaphragme. En outre, vu que l'intensité optique et le temps de retard du rayonnement de recombinaison dépendent également de la température, il est prévu, pour que la mesure puisse être effectuée à des différentes températures définies, d'entourer la source de rayonnement à semi-conducteur d'un cryostat. Afin d'éliminer l'influence défavorable de fortes intensités d'excitation sur la matière de la source de rayonnement à semi-conducteur, il est encore avantageux d'équiper le dispositif de mesure de moyens électriques permettant une modulation d'impulsions en amplitude, ce qui peut être, par exemple, une source d'excitation additionnelle. Pour une émission laser par impulsions, la détermination de l'intensité et du temps de retard du rayonnement de recombinaison en fonction du lieu n'est possible que lors de l'utilisation de la modulation es impulsions en amplitude. L'invention va être expliquée en plus de détail au moyen de trois exemples de réalisation représentés schématiquement au dessin annexé. La fig. 1 montre un dispositif de mesure comportant une source d'excitation électrique, La fig. 2 montre un dispositif de mesure où la phase de référence est dérivée de la surface de rayonnement La fig. 3 montre un dispositif de mesure dont la source d'excitation est une source de rayonnement modulée périodiquement. La fig. 1 montre une source de rayonnement à semi-conducteur 2 à examiner, disposée dans un cryostat 1, dont la surface de rayonnement 3 émettant un faisceau de rayons 4 à travers une fenêtre 5 prévue dans le cryostat 1 est reproduite dans le plan d'un diaphragme 7 au moyen d'un système optique grossissant 6 à axe optique 0-0. Derrière le diaphragme 7 est disposé un récepteur de rayonnement 8 dans lequel le signal de rayonnement modulé et traversant le diaphragme est converti en un signal électrique à haute fréquence. Le signal électrique venant du récepteur de rayonnement 8 traverse un ampèremètre 18 et arrive dans un étage mélangeur 9 dans lequel s'effectue, au moyen d'un signal arrivant d'un oscillateur hétérodyne 10, une transformation du signal à haute fréquence en un signal à basse fréquence. Celui-ci est appliqué à l'entrée 19 d'un phasemètre 11 où il est comparé, quant à sa phase, à un signal de référence appliqué à l'autre entrée 20 du phasemètre Il en venant dBune source d'excitation électrique 12, et en passant par un second étage mélangeur 13. L'étage mélangeur 13 est relié, de la même manière que l'étage mélangeur 9, à l'oscillateur hétérodyne 10. La grandeur du signal à l'entrée 19 du phasemètre 11 est mesurée au moyen d'un voltmètre 21. L'excitation de la source de rayonnement à semi-conducteur 2 s'effectue par injection propre des porteurs (jonction p n ) au moyen de la source d'excitation 12. Une autre source d'excitation 14 reliée à la source de rayonnement à semi-conducteur 2 sert la modulation des impulsions en amplitude. Le système optique 6 peut être déplacé, d'une manière mesurable, dans deux directions perpendiculaires l'une par rapport à l'autre et, pour l'essentiel, perpendiculaires sur l'axe optique 0-0 du système. Des organes servant à cet effet, on n'a représenté que ceux destinés à la mesure dans une seule direction, à savoir une aiguille 15 reliée au système optique 6 et une échelle graduée 16 à poste fixe. Be diaphragme 7 est incliné à 450 par rapport à l'axe optique 0-0 et réfléchit une partie du faisceau de rayonnement 4 vers un système d'observation 17 dont l'axe d'optique I-I est perpendiculaire à l'axe optique 0-0. En déplaçant le système optique 6 perpendiculairement à l'axe 0-0, on explore la surface de rayonnement 3. Par conséquent, le récepteur du rayonnement 8 reçoit des signaux de rayonnement différents quant à leur intensité et à leur phase. Les valeurs recherchées sont mesurées sur le signal électrique quittant le récepteur de rayonnement 8, à savoir l'intensité du rayonnement 4 au moyen du voltmètre 21 et la phase du rayonnement 4 au moyen du phasemètre 11. L'ampèremètre 18 indique la valeur moyenne dans le temps du rayonnement 4 reçu dans le récepteur 8. On peut ainsi déterminer, en rapport avec les résultats de mesure lus sur le voltmètre 21, le taux de modulation de la source de rayonnement à semi-conducteur 2. Au lieu du système optique 6 (fig.1), il est également possible de déplacer la source de rayonnement à semi-conducteur 2 ou le diaphragme 7 dans deux directions perpendiculaires l'une par rapport à l'autre. Suivant la fig. 2, une source de rayonnement à semiconducteur 22 est reliée électriquement à une source d'excitation 23. La surface de rayonnement 24 de la source de rayonnement à semi-conducteur 22 émet un faisceau de rayons 25 qui est ccncentr6, au moyen d'un système optique 26 à axe optique Y-Y, sur un diaphragme 27. La partie du faisceau 25 qui passe à travers l'ouverture 31 du diaphragme frappe un récepteur de rayonnement 28 qui, étant rigidement relié-avec le diaphragme 27 et dépla çable en direction des flèches 48 de façon à pouvoir mesurer ce déplacement, convertit le signal de rayonnement modulé en un signal électrique correspondant dont l'amplitude et la phase sont mesurées respectivement au moyen d'un voltmètre 29 et d'un phasemètre 30.Une partie 32 du rayonnement émanant de la surface de rayonnement 24 passe à travers un autre système optique 33 à axe optique Z-Z au récepteur 34 dans lequel le rayonnement modulé est converti en un signal électrique. Ce signal électrique est amené au phasemètre 30 et sert de phase de référence pour la mesure de la phase du signal électrique quittant le récepteur de rayonnement 28. Quant au reste, le fonctionnement est analogue à celui du dispositif représenté à la fig. 1. Â la fig. 3, on a désigné par 35 une source à semi-conducteur présentant une surface de rayonnement 36, par 37 un sys têne de reproduction optique avec l'axe optique U-U, par 38 un diaphragme et par 39 un récepteur de rayonnement qui est électriquement relié à l'une des entrées 40 d'un phasemètre 41. L'autre entrée 42 du phasemètre 41 est électriquement reliée i un second récepteur 43. Une source d'excitation 44 émet un rayonnement modulé 45 qui, d'une part, excite la source à semiconducteur 35 à émettre un rayonnement modulé 47 et, d'autre part, frappe le récepteur 43 où il est converti en un signal électrique et sert, sous cette forme, de signal de référence dans le phasemètre 41. Les flèches 46 indiquent la possibilité de déplacement du système optique 38, analogue à la fig. 1. Be rayonnement 45 de la source d'excitation 44 est calculé de façon à ne pas influencer le récepteur de rayonnement 39.Il peut, par exemple, être prévu une grande différence de fréquence entre le rayonnement de la source d'excitation 44 et le rayonnement de la source à semi-conducteur 35, ou la source d'excitation 44 peut émettre un faisceau électronique. Dans ces cas, le récepteur de rayonnement 39 est accordé suivant une bande étroite, au rayonnement de la source à semi-conducteur 35. En ce qui concerne le fonctionnement de ce dispositif, les explications des exemples suivant les fig. 1 et 2 s'appliquent également à cet exemple. Une combinaison des différents éléments des trois exemples représentés permet de réaliser d'autres dispositifs. Par exemple le cryostat 1 (fig. 1) peut être utilisé également aux fig. 2 et 3. Il est de même en ce qui concerne la transformation de la fréquence et le système d'observation 17. On peut, également, utiliser à la fig. 1 le mode de création de la phase de référence suivant la fig. 2. La possibilité d'excitation de la source de rayonnement à semi-conducteur 35 représentée à la fig. 3 peut être introduite également dans des exemples de réalisation des fig. 1 et 2. REVENDICÂTIONS 1. Dispositif de mesure servant à la détermination de la dépendance locale de l'intensité ex62 d remps de retard du rayonnement de recombinaison sur la bande de rayonnement d'une source à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il est monté à la suite d'un récepteur de rayonnement un phasemètre et qu'entre la source de rayonnement à semi-conducteur et le récepteur de rayonnement est disposé un système optique grossissant qui comporte un diaphragme et reproduit sur le diaphragme la surface de rayonnement de la source de rayonnement à semi-conducteur, qu'il est prévu une source d'excitation pour la source de rayonnement à semi-conducteur laquelle excite périodiquement cette dernière et qu'il est en outre prévu des moyens opticomécaniques servant à effectuer un déplacement relatif et mesurable de l'image de la surface de rayonnement par rapport au diaphragme. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu, avant le phasemètre, des moyens électriques permettant d'effectuer une transformation de la fréquence. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la source d'excitation fournit la phase de référence pour le phasemètre. 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface de rayonnement fournit, par l'intermédiaire d'un système de réception, la phase de référence pour le phasemètre. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que na source d'excitation est une source de rayonnement modulée périodiquement. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la source de rayonnement à semi-conducteur elle-même est excitée par injection propre de porteur. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par un dispositif servant à l'observation du plan du diaphragme et disposé entre la source de rayonnement à semi-conducteur et le récepteur de rayonnement. 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par un cryostat qui entoure la source de rayonnement à semi-conducteur. 9 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par des moyens électriques permettant une modulation des impulsions en amplitude.