Brevet FR2640044A1 — publié le 19900608

DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENTS OPTIQUES L'invention concerne un dispositif de détection de rayonnements optiques. Les détecteurs optiques à grandes longueurs d'ondes (supérieures ou égales à 5 micromètres) se regroupent en deux grandes familles principales de dispositifs - Les détecteurs à semiconducteurs à effet photo-électrique - Les détecteurs photo-thermiques. Dans le premier cas, ces détecteurs ne fonctionnent qutà basse température En effet, le principe de fonctionnement de ces dispositifs repose sur la génération de porteurs libres par transition optique entre 2 niveaux d'énergie E1 et E2. Selon le type d'application Le niveau d'énergie E1 est le niveau piège et E2, la bande de conduction pour les photoconducteurs extrinséques. Le niveau d'énergie E1 est la bande de valence, E2 la bande de conduction pour les photoconducteurs intrinseques, les photovoltaïques etc . (E2-E1) est la hauteur de barrière dans un détecteur Schottky . Si une onde électromagnétique permet une transition (E2-E1) de faible énergétique (110 meV par exemple), les phonons à température ambiante seront assez énergétiques (25 meV) et nombreux pour provoquer cette transition. En d'autre terme, le courant d'obscurité est très important dans un tel dispositif à la température ambiante et la détectivité du photodetecteur (comme son impédance) est extrêmement faible (D*#1O6 cm. az/W) Dans le deuxième cas, c'est-g-dire dans les détecteurs photothermiques, l'augmentation de la température due à l'absorption de l'onde olectromagnétique conduit a une variation de la constante diélectrique d'un matériau pyroélectrique. Contrairement à la première famille de dispositifs (détecteurs à semiconducteurs à effet photo-électrique) ces détecteurs fonctionnent à température ambiante. S'agissant de transitions optiques entre niveaux liés, la conductivité électrique de ces matériaux ne change pas, l'impédance des structures capacitives reste très grande, permettant de fortes amplifications L'invention a pour objet des structures à détection capacitive utilisant des transitions entre niveaux liés dans des puits quantiques asymétriques. Ces détecteurs présentent les avantages 1. de fournir une très forte impédance même à la température ambiante ce qui permet une forte amplification et une utilisation comme détecteur à température ambiante. 2. de pouvoir être fabriqués par la technologie des semiconducteurs donc, présentant une possibilité d'intégration dans un système à semiconducteurs. L'invention concerne donc un dispositif de détection de rayonnements optiques, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal non linéaire comportant au moins un puits quantique à composition asymétrique constitué d'un empilement de couches de matériaux à gaps différents. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif de détection tel que décrit précédemment caractérisé en ce que les différentes couches de matériaux constituant les empilements de puits quantiques asymétriques sont réalisées par épitaxie. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, un exemple de structure selon l'invention; - la figure 2, un diagramme d'énergie selon l'invention - la figure 3, un diagramme d'un empilement de puits quantiques selon l'invention - la figure 4, une courbe de variation du coefficient de redressement optique en fonction de la longueur d'onde incidente - la figure 5, une structure intégrée du dispositif de la figure 1 avec un transistor à effet de champ - la figure 6, un diagramme d'un empilement de puits quantiques montrant la polarisabilité de la structure - la figure 7, une courbe de variation du coefficient de doublage en fréquence - la figure 8, un dispositif de détection optique par hétérodynage. La figure 1, représente une structure simplifiée d'un détecteur selon l'invention et la figure 2 un diagramme d'énergie de ce détecteur. Ce détecteur comporte sur un substrat 1 deux couches de matériaux semiconducteurs différents 3 et 4 enserrées entre deux couches 2 et 5 d'un même matériau semiconducteur Les matériaux de ces différentes couches sont choisis de façon que les couches 3 et 4 constituent un puits quantique asymétrique tel que représenté en figure 2. Pour cela les matériaux des couches 3 et 4 possèdent des potentiels de conduction différents. A titre d'exemple, les matériaux choisis peuvent être les suivants - pour le substrat I : du Ga As dopé d'impuretés et un qui peut être semi-isolant et une couche tampon 1' dopé n+ de GaAs ; - pour la couche 2 : du Alx Ga1 x As avec x compris entre 0 et 1; - pour la couche 3 : du Ga As - pour la couche 4 : du AI y Ga1 y As avec y compris entre O et x - pour la couche 5 : du AI Ga 1-x As avec x compris entre O et 1 (même x que pour la couche 2 ; Des prises de contacts sont réalisées sur les couches I et 6 de façon à connecter un dispositif V de mesure de potentiel de charges. Il est à noter que d'autres hétérostructures peuvent être envisagées telles que des hétérostructures à base de Si/Si Ge ou In Ga As/In AI As, etc... L'essentiel est de réaliser un dispositif à puits quantique asymétrique tel que représenté en figure 2. Sur la figure 2, on a indiqué la position du niveau fondamental Eo et le niveau excité E1. ainsi que les probabilités de présence des électrons dans chacun des niveaux. La composition et la largeur des puits quantiques ont été optimisées de telle sorte que El-Eo corresponde à la longueur d'onde que l'on veut détecter. Le barycentre des charges dans chacun des niveaux est aussi indiqué. Sous illumination, la transition entre les deux niveaux va provoquer l'apparition d'un dipôle détectable électriquement, entre les charges fixes du puits le plus profond et les charges sur le niveau E1. Cette asymétrie va engendrer, en plus, des phénomènes d'optique non linéaire tels que la rectification optique et l'hétérodynage. La figure 3, représente une structure constituée d'un empilement de puits quantiques de compositions asymétriques tel que celui des figures 1 et 2. A température ambiante, avec une structure à base de Ga As et AI Ga As, telle que décrite précédemment. si El-Eo vaut 120 meV le rapport de population entre les deux niveaux est n1/nO = 1%. Le niveau E est pris suffisamment profond pour que la o structure totale de la figure 3 soit isolante. La détection d'un dipôle pourra se faire, selon l'invention, par détection du potentiel de charges de surface à l'aide du dispositif V de la figure 1. Le potentiel de surface est dû à deux effets - un effet pyroélectrique résultant d'un échauffement provoqué par le rayonnement à détecter - un effs' de redrcsren-.-rl' optique du rayonnement à détecter. En ce qui concerne l'effet pyroélectrlque, un calcul -quantique montre que, si l'on prend un dopage des puits de l'ordre de îo11 cm 2 avec une durée de vie de 0,14ps, la réponse d'une diode capacitive de 1clam d'épaisseur est de -2 10#V/W. cm 2 à température amblante, ce qui aisément déteetable. En ce qui concerne l'effet de redressement optique, la figure 4 représente la variation du coefficient de redressement optique du milieu de détection (couches des puits quantiques) D0= aa en fonction de la longueur d'onde incidente (voir le document "Quantum Electronics" (Second Edition) de A#.#NON YARIV publie par John Wiley and Sons Inc, New York, chapitre 16 Introduction to Nonlinear Optics - Second Harmonic Generation, pages 407 à 409). A titre d'exemple, pour une longueur d'onde de 10,6 micromètres, on détecte un potentiel d'environ 1,6 microvolts, par Watt et centimètre carré aux bornes de la capacité. On constate bien qu'il y a résonance pour h = E1-Eo. Nous reprécisons que le signal détecté comprend la détection des effets pyroélectriques, de redressement optique et photo-capacitif. Par ailleurs, le rayonnement reçu par les dispositifs des figures 1 ou 3 peut induire une variation d'indice effectif du milieu. En effet, l'apparition des dipôles va modifier la polarîsabilité statique du milieu comme cela est illustré sur la figure 6. Sur cette figure, les flèches désignent les mouvements des dipôles sous l'influence d'un champ électrique alternatif pour la mesure capacitive des dipôles. Cette polarisabilité va pouvoir être détectée aisément dans un pont de Wheastone ou un circuit accordé à inductances, résistances, capacités. Afin d'augmenter la sensibilité, on peut moduler la lumière par un modulateur mécanique ou électro-optique. TJn dispositif de détection dont le fonctionnement obtenu par détection d'un potentiel à la surface du dispositif est réalisé selon l'invention par une structure de détection à puits quantiques asymétriques est intégré à la source ou à la grille d'un transistor à effet de champ. La figure 5 représente un tel dispositif intégré dans lequel le dispositif de détection DET, constitué d'un empilement de puits quantiques asymétriques, est intégré à la source d'un transistor à effet de champ. Selon la figure 5, la structure selon l'invention est réalisée à titre d'exemple en arseniure de gallium - sur un substrat Ga As semi-isolant, une couche de Ga As dopé n et comportant deux zones dopées n+ constituant la source et le drain - une couche métallique constituant la grille du transistor et située entre les deux zones dopées n+ - le dispositif de détection DET constitué d'un empilement de puits quantiques asymétriques et situé sur la zone dopée n+ de la source du transistor - une couche d'isolant ISO permettant d'isoler les flancs du dispositif de détection ainsi que des connexions du transistor - une connexion métallique CX1 permettant de connecter la face supérieure de dispositif DET à la grille du transistor - une connexion métallique CXO connectée au drain du transistor et fournissant un signal de sortie. La face supérieure du dispositif DET possède une fenêtre FE ne comportant ni isolant ni connexion métallique et permettant à un rayonnement d'agir sur le dispositif DET. Le rayonnement peut être transmis au dispositif DET par un dispositif de modulation mécanique ou électrooptique tel que cela est représenté sur la figure 5. Le dispositif DET permet ainsi de créer une différence de potentiel entre la source et la grille. On détecte sur la connexion de drain CXO, un signal de sortie proportionnel à l'intensité de rayonnement fourni au dispositif DET. L'~ #:spos:tif de l'invention peut également être appliqué à un dispositif de détection optique par hétérodynage. Comme déjà indiqué, la dissymétrie des fonctions d'onde dans l'état E et l'état E1 induit un coefficient de non linéarité o optique d2 X très important (voir documents de AMNON YARIV cité précédemment ainsi que "Synthetic Nonlinear Semiconductors" de M.K-. GURNICK et ai publie dans IEEE Journal of Quantum Electronics, N 5 de May 1983 et "Electric field control of optical second-harmonic generation in a quantum well" de L. TSANG publié dans Applied Physic Letters 52 (9) du 29 février 1988. La figure 7 représente les valeurs calculées du coefficient de doublage optique de la structure d #= ' +#' pour exemple traité à la figure 1.Pour une longueur d'onde de -22 10,6 m, le coefficient non linéaire est de 17 000 (1 10 22 M K SA) à comparer avec 72 pour le GaAs pur (même unité). Ceci permet d'utiliser les multipuits quantiques asymétriques pour la détection hétérodyne entre le signal à détecter et un faisceau de pompe. La figure- 8 représente donc un dispositif permettant une telle détection. Ce dispositif comprend une source laser émettant un faisceau laser vers une lame semi-réfléchissante qui retransmet, d'une part, un faisceau de détection Fd vers un objet à détecter, et d'autre part, un faisceau de pompe Fp au dispositif de détection DET constitué d'un empilement de puits quantiques. Le dispositif DET reçoit un faisceau F1 provenant de la réflexion du faisceau Fd par l'objet à détecter. Le faisceau F1 est amplifié dans le dispositif DET par le faisceau de pompe Fp. Un faisceau amplifié est ainsi fourni par le dispositif DET et est aisément détectable. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les exemples numériques notamment n'ont été fournis que pour iul st5ae- la description. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de rayonnements optiques, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal non linéaire comportant au moins un puits quantique à composition asymétrique constitué d'un empilement de couches de matériaux à gaps différents. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de plusieurs puits quantiques à compositions asymétriques. 3. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents puits quantiques sont de caractéristiques sensiblement identiques. 4. Dispositif de détection selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de mesure de potentiels connecté aux bornes de l'empilement de puits quantiques. 5. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor à effet de champ et qu'un empilement de plusieurs puits quantiques est intégré au drain ou à la grille du transistor à effet de champ de façon à ce qu'une tension crées entre les deux couches extrêmes de l'empilement de puits quantiques permet de commander le transistor à effet de champ. 6. Dispositif de détection selon l'une des revendications 2 ou 3, recevant un premier faisceau lumineux à détecter d'une longueur d'onde déterminée, caractérisé en ce qutil comporte également une source auxiliaire d'un deuxième faisceau lumineux de même longueur d'onde que le premier faisceau et interférant avec ce premier faisceau dans le cristal non linéaire. 7. Procédé de réalisation d'un dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes couches de matériaux constituant les emoilements de puits quantiques asymotrlq.tes sont réalisées par épitax ie .