Brevet FR2479482A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne des absorbeurs de résonance comprenant des matières optiques d'un pouvoir d'absorption faible ou modéré, par exemple des matières semi-conductrices, en vue d'une transformation de l'énergie de photons ou de l'énergie due à un rayonnement électroma- gnétique en d'autres formes d'énergie, ces absorbeurs étant utilisés pour des photodiodes à semi-conducteur, des photo- résistances, des lasers guides d'ondes, des milieux d'enre- gistrement optiques irréversi qs, des convertisseurs photo- thermiques pour l'énergie solaire-et d'autres éléments rem- plissant des fonctions physiques. \t On connaît déjà sous diverses formes de réalisa- tion des absorbeurs constitués par des matières à pouvoir d'absorption faible ou modéré pour des photons incidents ou des rayonnements électromagnétiques. Ces absorbeurs pré- sentent fréquemment une étendue géométrique correspondant à la profondeur de pénétration des photons ou du rayonnement électromagnétique, la profondeur de pénétration étant dé- finie par la longueur du trajet pendant laquelle le nombre de photons ou l'intensité du rayonnement s'est réduite à une fraction de e. Etant donné que dans les subs- tances présentant le coefficient d'absorption k, l'intensi- té de rayonnement I diminue en obéissant à la relation I=1 o exp (- kx) dans laquelle Io représente l'in- tensité à l'endroit x = 0, x est le trajet parcouru par le rayonnement et A la longueur d'onde du rayonnement électro- magnétique, la profondeur de pénétration qui en résulte est XE = A /k. En raison des réflexions se produisant aux sur- faces de séparation des matières absorbantes, le rayonnement frappant la surface n'est absorbé qu'incomplètement. On utilise alors fréquemment des procédés connus pour réduire la réflexion afin que sensiblement 100 % des rayons inci- dents puissent pénétrer dans l'absorbeur pour être absorbés le long de la profondeur de pénétration. Dans de nombreux dispositifs d'absorption se dérou- lent cependant des processus physiques qui sont déclenchés par l'absorption des photons ou du rayonnement dans une zo- ne partielle de la matière absorbante qui est petite par rapport à la profonde.ur de pénétration et qui est située, par exemples à proximité immédiate de la surface de l'ab- sorbeur. La fraction de l'énergie absorbée en dehors de cette zone est en conséquence perdue pour le processus dé- siré. Ceci constitue un inconvénient important, par exem- ple pour des substances semi-conductrices pour des gammes de longueurs d'ondes dans lesquelles se produisent de fai- bles coefficients d'absorption et, en conséquence, des pro- fondeurs de pénétration importantes. Pour ces raisons, on peut réaliser des dispositifs absorbants en tant qu'absorbeurs de résonance d'une dimen- sion relativement faible et dont les surfaces de séparation réfléchissent le rayonnement tout en le laissant passer en partie de façon que des ondes stationnaires se forment en- tre ces surfaces dans la matière absorbante. Malgré l'avan- tage d'une longueur relativement faible, les absorbeurs de résonance réalisés en des matières de faible pouvoir d'ab- sorption ou de pouvoir d'absorption modéré ne peuvent sa- tisfaire les exigences désirées que de manière incomplète. Même lorsque la réflexion au niveau de la surface de sépa- ration avant est fortement réduite par des traitements anti- réfléchissants extérieurs et lorsque la délimitation arriè- re est formée par une.épaisse couche métallique à pouvoir réfléchissant élevé et empêchant le passage de l'énergie de rayonnement à travers tout le système, le rayonnement incident n'est cependant absorbé qu'incomplètement du fait qu'une proportion non négligeable de l'énergie de rayonne- ment venant de l'absorbeur pénètre dans le métal o elle est absorbée tout en étant perdue pour le processus physique désiré à l'intérieur de l'absorbeur constitué, par exemple par un semi-conducteur. La présente invention a pour objet de créer un ab- sorbeur de résonance de faibles dimensions et dans lequel l'énergie disponible due à un rayonnement électromagnétique ou à des photons est utilisée complètement-ou au moins en majeure partie pour le processus de transformation d'énergie à l'intérieur de la matière absorbante. L'invention a également pour objet de créer un absorbeur de résonance pour l'absorption de photons ou d'un rayonnement électromagnétique incident dans lequel la zone d'absorption spaciale est réduite à une zone de matière ab- sorbante qui est techniquement appropriée pour la transfor- mation de l'énergie. Les problèmes ci-dessus sont résolus conformément à l'invention en utilisant une matière absorbante présen- tant un faible coefficient d'absorption, de préférence in- férieur à 1, et des couches d'interférences s'appliquant au moins contre la face arrière de la matière absorbante et du fait que la longueur de l'absorbeur est définie par d = m. A /4n, expression dans laquelle m est le nombre entier le plus proche d'une valeur 2n,/eI ka représen- tant la longueur d'onde du centre de gravité d'une zone d'absorption spectrale définie, pouvant être choisie et pour laquelle la matière absorbante présente l'indice de réfrac- tion n et le coefficient d'absorption k, et na repré- sente l'indice de réfraction d'un milieu étendu disposé devant la matière absorbante. Chacune des couches d'inter- férence s'appliquant contre la face arrière de la matière absorbante présente une épaisseur optique de XR/4 et ces couches d'interférence présentent de façon alternée des in- dices de réfraction faibles et élevés lorsque m est un nombre pair et inversement des indices de réfraction élevés et faibles lorsque m est un nombre impair. Le nombre des couches d'interférence /l/4 est choisi de façon à obtenir, conformément au principe d'équivalence, des indices de ré- fraction (Jenaer Jahrbuch 1954, 2ème partie, page 436, Edi- tion Gustav Fischer Jena), un indice de réfraction équiva- lent d'un milieu extérieur optique arrière d'environ 0 lorsque m est un nombre pair ou d'une valeur tendant vers l'infini lorsque m est un nombre impair. Grâce àl'in- vention, la zone dans laquelle les photons ou le rayonne- ment électromagnétique est absorbé au moins en majeure par- tie, devient petite par rapport à la profondeur de pénétra- tion normale dans la même matière absorbante et pour -la mê- me longueur d'onde. La matière absorbante peut se présenter sous forme de couche ou de plaque mais elle peut présenter. également toute autre atruçture géométrlcgue à condition que cette dernière permette à tous les faisceaux partiels du rayonnement incident de parcourxir des trajets de même lon- gueur entre leur entrée dans l'absorbeur et leur sortie. Afin de pouvoir faire varier la longueur optimale de l'absorbeur à l'intérieur de larges limites, il est pos- sible de disposer entre la matière absorbante et un milieu extérieur optique prévu- en amont également des couches d'in- terférence x /4 présentant de façon alternée des indices de réfraction faibles et élevés ou inversement. Ces couches d'interférence créent les indices de réfraction extérieurs équivalents et nécessaires au réglage de la longueur désirée de l'absorbeur. De ce fait, il est possible de faire varier la longueur de l'absorbeur à l'in- térieur de limites qui sont nettement plus larges que cel- les obtenues par une variation directe de l'indice de ré- fraction d'un simple milieu optique étendu et prévu en a- mont dela matière absorbante. Les couches d'interférence ainsi que la longueur de l'absorbeur ou les longueurs du trajet des faisceaux partiels sont accordées les unes aux autres de façon que la profondeur de pénétration effective du rayonnement dans l'absorbeur soit réduite et qu'on ob- tienne de ce fait une densité volumétrique élevée de l'éner- gie absorbée complètement ou pour ainsi dire complètement et due aux photons ou au rayonnement. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'inven- tion sont représentées à titre d'exemples non limitatifs aux dessins annexés. La fig. 1 représente schématiquement un premier exemple de réalisation. La fig. 2 montre un deuxième exemple de réali- sation. La fig. 3 montre l'utilisation de l'invention pour une photodiode. A la fig. 1, la couche 1 de l'absorbeur de ré- sonance est constituée par du silicium amorphe et elle est réalisée par l'une des techniques de fabrication connues. Un rayonnement électromagnétique 2 d'une longueur d'onde A = 0,920,>lm pénètre dans un milieu extérieur 3, disposé en amont et présentant un indice de réfraction na = 1,0 et arrive perpendiculairement ou de façon sensiblement per- pendiculaire sur la surface de séparation avant de la cou- che 1 de l'absorbeur de résonance. Une succession de couches d'interférence 4 qui est disposée entre la couche 1 de l'absorbeur de résonance et un milieu extérieur 5, D0 étendu, disposé en aval et présentant un indice de réfrac- tion nb = 1,52, est composée de quatre paires de couches. Chaque paire de couches comprend une couche d'interférence 41 à faible indice de réfraction (nn = 1,38) et une couche d'interférence 42 à indice de réfraction élevé (nn = 2,3). L'épaisseur de chaque couche est de d = X /4nn ou de d ?L /4nh. Il est ainsi possible de calculer sur la base du principe des équivalences connu pour les indices de réfrac- tion de minces couches optiques et en appliquant l'équa- tion nb,équ = (n2/n2h P.nb (avec p représentant le nombre des paires de couches), l'indice de réfraction effectif pour le milieu extérieur arrière tend vers nb,équ A 0,026, c'est-à-dire vers une valeur qui conformément aux caracté- ristiques de l'invention s'approche suffisamment de zéro. L'indice de réfraction n et le coefficient d'absorption k de la couche de silicium sont respectivement n = 3,80 et k = 0,01 pour une longueur d'onde X = 0,920pum. Du fait que na = 1,0 on obtient grâce à la relation suivant l'invention m 2n,/'( k = 63,66 dont le nombre entier le plus proche est m = 64, et en conséquence l'épaisseur optique de la couche 1 de l'absorbeur de résonance nd = m A /4 = 64 X /4 et l'épaisseur géométrique d = m x /4n 3,874pum. Etant donné que le réglage exact de la longueur optique de l'absorbeur, c'est-à-dire l'épaisseur de la cou- che absorbante, est très compliqué par voie directe, il est possible de mesurer de façon connue pendant l'application de la couche le degré de réflexion présentant des maxima et des minima pour la longueur d'onde 2. = 0,920/um lors de e 247948? l'accroissement de la couche et d'interrompre le processus de revêtement dès que le minimum de réflexion le plus bas est atteint. Dans le présent exemple de réalisation d'un absorbeur de résonance suivant l'invention, on peut obtenir 5. un degré de transmission d'environ 2 % et un degré de ré- flexion qui est inférieur à 10 3% de manière qu'environ 98 % du rayonnement incident soit absorbé par la couche de l'absorbeur d'une épaisseur de 3,874 pi. Dans l'exemple suivant la fig. 2, la couche 6 de l'absorbeur de résonance est également en silicium amor- phe qui, lorsqu'elle est frappée perpendiculairement ou de façon sensiblement perpensiculaire par un rayonnement électromagnétique 7 d'une longueur d'onde de A = 0,920 PM, présente un indice de réfraction n = 3,8 et un coefficient d'absorption k = 0,01. Une succession 8 de couches d'in- terférence, disposée derrière la couche 6 en silicium et entre cette dernière et un milieu extérieur 9 à indice de réfraction nb = 1,52, comprend huit paires de couches d'in- terférence dont chaque paire se compose d'une couche d'in- terférence à faible indice de réfraction et d'une couche à indice de réfraction élevé 81,82 de façon à obtenir un indice de réfraction effectif pour le milieu 9 extérieur arrière nb équ inférieur à 10 Pour m on a pris la valeur 2 afin de pouvoir réaliser la couche de l'absor- beur sous la très faible épaisseur d = m. R /4n = i /2n 0,121pm. Du fait de la relation mr--2na /i k on obtient pour l'indice de réfraction équivalent effectif d'un milieu 11 extérieur (air) disposé en amont na, équq'=itk = 0,0314 valeur qui peut être approchée en disposant entre la couche 6 de l'absorbeur de résonance et le milieu extérieur avant et étendu 11 une succession 10 de couches d'interfé- rence constituée par trois paires de couches composées cha- cune d'une couche à faible indice de réfraction et d'une couche à indice de réfraction élevé 101, 102. On obtient ainsi pour le deuxième exemple de réa- lisation un degré de transmission qui est sensiblement zéro, un degré de réflexion d'environ 10 et, de ce fait, une absorption d' enviroon 100 % à l'intérieur d'une couçhe ab- sorbante d'une épaisseur légèrement supérieure à 100 nm. La figg 3 représente une photodiode qui compor- te une couche en silicium amorphe dont la couche d'arrêt est formée par une structure PIN laquelle présente une zone P fortement dopée 12, une zone intrinsèque d'une pureté semi-conductrice élevée 13 et une zone N dopée 14. Un rayonnement à déceler ou à mesurer 15 arrive per- pendiculairement sur la surface de séparation PIN 16 sur laquelle est montée une électrode annulaire 17. Derrière la zone N est disposée une succession de couches d'inter- férence 18, 19, 20 dans laquelle chaque couche individuel- le présente une épaisseur optique de X /4 et la couche d'interférence 18, servant d'électrode et présentant un indice de réfraction d'environ 1,8, est constituée par de l'oxyde stannique dopé d'oxyde d'indium. Les couches d'in- terférence 19, 20 sont disposées de façon alternée et présente des indices de réfraction faibles (nn = 1,34) et, respectivement, élevés (nh = 2,40). Tout le système est placé sur un support stable 21, par exemple en verre. Les électrodes 17, 18 sont reliées par des contacts 22, 23 à une source de tension 24 délivrant la tension de blo- cage de la diode. La zone P doit présenter une épaisseur comprise entre 0, 1 et 1pm lorsqu'on tient compte des valeurs calculées pour m et d dans l'exemple suivant la fig. 1. Etant donné que le réglage précis de l'épaisseur optimale du semi-conducteur est très compliqué par voie di- recte en raison des faibles écarts possibles de l'indice de réfraction et du coefficient d'absorption, on mesure de façon connue pendant la réalisation des couches le degré de réflexion présentant des maxima et des minima pour la longueur d'onde de 0,920>xm lors de l'accroissement de l'épaisseur de la couche et le processus de revêtement est interrompu dès que le minimum de réflexion le plus faible est atteint. On obtient pour la photodiode décrite en réa rérence à la fig. 3, un degré de transmission crt 2 %, un degré de réflexion j 0,0001 % et une absorption oR 98 %. La zone dans laquelle a lieu l'absorption n'est que faiblement supérieure au champ de la couche d'arrêt ou à la zone de densité réduite, et de ce fait tous les pho- tons incidents agissent sur le courant photoélectrique. La zone de densité réduite réalisée dans le dispositif décrit présente, en ce qui concerne son étendue, une valeur qui correspond à celle qui, selon des calculs, est nécessaire au traitement de fréquences de répétition élevées des im- pulsions de lasers. Lorsque le rayonnement 15 arrive parallèlement à la couche d'arrêt, les couches d'interférence 18, 19, 20 doivent être disposées de façon à être orientées perpendicu- lairement par rapport aux lignes de séparation des zones 12, 13 et 14. REVENDICATIONS 1 - Absorbeur de résonance pour l'absorption de photons ou d'un rayonnement électromagnétique incident et qui est constitué par une matière absorbante présentant un coefficient d'absorption de préférence inférieur à 1 et devant et derrière laquelle est disposé un milieu extérieur optique et étendu ainsi qu'une succession de couches d'in- terférence dont chaque couche présente une épaisseur optique correspondant sensiblement à un quart de la longueur d'onde du centre de gravité d'une zone d'absorption spectrale, les couches d'interférence se succédant présentent de façon alternée des-indices de réfraction faibles et élevés, carac- térisé en ce que la longueur de l'absorbeur est définie par d = m. A /4n, expression dans laquelle m est le nombre entier le plus proche d'une valeur 2n,/,'ITk, A représen- tant la longueur d'onde du centre de gravité à laquelle la matière absorbante (1, 6, 12, 13, 14) présente l'indice de réfraction n et le coefficient d'absorption k, et na définit l'indice de réfraction du milieu étendu (3, 11,17) disposé en amont et en ce que les couches d'interférence (4, 8, 18, 19, 20) sont disposées au moins entre la matière absorbante (1, 6, 12, 13, 14) et le milieu extérieur (5, 9, 21) disposé à la suite et présentent de façon alternée des indices de réfraction faibles et élevés lorsque m est un nombre pair et inversement des indices de réfraction élevés et faibles lorsque m est un nombre impair. 2 - Absorbeur de résonance suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'on dispose, entre la matière absorbante (6) et le milieu extérieur (11) qui la précède, une succession de couches d'interférence (10) dont les é- paisseurs optiques correspondent sensiblement à un quart de la longueur d'onde du centre de gravité de la zone d'absorp- tion spectrale et en ce que les paires de couches (101, 102) composant la succession de couches d'interférence (10) pré- sentent des indices de réfraction de valeurs différentes.