Brevet FR2670006A1 — publié le 19920605

BOLOMETRE ELECTRONIQUE A PUITS QUANTIQUE ET APPLICATION A UN DETECTEUR DE RAYONNEMENTS L'invention concerne un bolomètre électronique à puits quantique et son application à un détecteur d'ondes électro- magnétiques, plus particulièrement un détecteur d'ondes à semiconducteur à puits quantiques Ce détecteur fonctionne comme un bolomètre à électrons chauds qui permet, par rapport aux dispositifs connus utilisant des puits quantiques, de détecter des ondes en incidence normale. Par exemple, le document de B F LEVINE et al publié dans Applied Physic Letters N O 53, 296 de 1988 décrit un photoconducteur à puits quantiques comportant comme cela est représenté en figure 1 un empilement de puits quantiques constitués chacun d'une couche de Ga As (telle que la couche 1) encadrée par deux couches de Al Ga As (telles que les couches 2 et 3) Des électrodes 4 et 5 sont prévues à la partie supérieure et à la partie inférieure de l'empilement de couches Dans un tel dispositif, les électrons sont stockés sur leur niveau quantique dans le puits quantique de Ga As Sous éclairement, ces électrons sont excités dans la bande de conduction de la barrière de potentiel (Al Ga As) et sont collectés dans les contacts ohmiques (électrodes 4 et 5) situés de part et d'autre de l'empilement des puits quantiques. Ce type de détecteur présente deux inconvénients 1 En régime photoconducteur, le courant est indépen- dant du nombre de puits à champ électrique constant Un seul puits peut détecter la lumière, la structure se repolarisant pour garder ce courant dans le détecteur Ceci provient du fait que dans ce détecteur, le flux de photons est parallèle au flux d'électrons. 2 Le mouvement des électrons n'étant quantifié que dans la direction de croissance, seule la composante normale aux puits quantiques du champ électromagnétique interne est détectée Ainsi, ce dispositif ne détecte pas les ondes incidentes normales à la surface, ce qui rend leur intégration dans des systèmes matriciels très difficile comme cela est décrit dans les documents. K W GOOSEN and S A LYON, Applied Physic Letters 53, 1027 ( 1988) G HASNAM, B F LEVINE, C G BETHEA R A. LOGAN, J WALKER and R J MOLIK, Applied Physic Letters 54, 2515 ( 1989). Le premier inconvénient a trouvé une solution dans la Demande de Brevet 90 06932 déposée le 5 Juin 1990 (E. ROSENCHER et B VINTER) en adoptant une géométrie des contacts ohmiques transverses Le dispositif décrit dans cette Demande de Brevet comporte au moins un premier puits quantique et un deuxième puits quantique non dopé, un transfert d'électrons du premier puits vers le deuxième puits étant possible sous l'effet d'un rayonnement incident de façon oblique par rapport au plan des puits quantiques Le détecteur comporte en outre des contacts ohmiques situés latéralement par rapport aux deux puits quantiques. Le deuxième inconvénient est remédié par la présente invention L'idée de base de l'invention est d'utiliser un phénomène physique qui ne soit pas sensible à la polarisation de la lumière: la bolométrie d'électrons chauds. L'invention concerne donc un bolomètre électronique à puits quantique, caractérisé en ce qu'il comporte: un empilement de couches de semiconducteurs réalisant au moins un puits quantique comportant au moins un premier niveau permis et possédant une face d'entrée parallèle auxdites couches destinée à recevoir un faisceau d'éclairement selon un angle d'incidence par rapport à la normale compris entre O et 80 degrés; des moyens de peuplement en porteurs de charges (électrons ou trous) du premier niveau permis; au moins deux électrodes situées sur deux parties latérales opposées de l'empilement de couches. L'invention concerne également un détecteur de rayon- nements à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un bolomètre destiné à être éclairé par un rayonnement à détecter selon un angle d'incidence voisin de l'incidence normale. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre et dans les dessins annexés qui représentent: la figure 1, un dispositif connu décrit précédemment; les figures 2 a et 2 b, un schéma simplifié du dispositif de l'invention; les figures 3 a et 3 b, un schéma de fonctionnement détaillé du dispositif de l'invention; les figures 4 a et 4 b, un exemple de réalisation détaillée du dispositif de l'invention; la figure 5 représente la photo-réponse d'un tel détecteur selon l'invention. Le dispositif de l'invention représenté de façon schématique en figure 2 a comporte un empilement de couches Bl, PQ, B 2 La couche PQ est un matériau semiconducteur peuplé en porteurs et constitue un puits quantique Les couches Bl et B 2 constituant les barrières du puits quantique Des électrodes EL 1, EL 2 sont disposées sur deux tranches opposées du dispositif. Une telle structure présente un profil de bande de conduction tel que représenté en figure 2 b Le dimensionnement des puits est tel que la différence entre les deux premiers niveaux d'énergie E 2 El ou ECB El corresponde à l'énergie de l'onde électromagnétique à détecter Bien entendu, cette structure peut être réalisée aussi bien avec des électrons qu'avec des trous, désignés sous le terme "porteurs" dans ce qui va suivre. Le phénomène bolométrique s'appuie sur la variation de conductivité des porteurs en fonction de leur température électronique Te, c'est-à- dire de leur énergie dans leur état excité par rapport à leur état fondamental En obscurité, cette température électronique dépend du champ électrique appliqué E. La conductivité a des puits quantiques en obscurité est alors donnée par: Cr (Te) = Cf (E) = c o ( 1 + 13 E) ( 1) o a o est la conductivité à faible champ et 3 le coefficient de non-linéarité. La puissance lumineuse absorbée par les porteurs de la sous-bande (effet Drude) est convertie en température électronique A Te En d'autres termes, le gaz électronique est chauffé, provoquant une photoconductivité ACT (équation 1). KOGHAN (voir documents: SH M KOGAN, Soviet Physics-Solid State, 4, 1386 ( 1963)) a montré que, dans les matériaux massifs In Sb, la réponse en V/W associée à cet effet bolométrique AV/P absorbée est donnée par 1 SE R = TI * 2 ( 2) Sa 1 + 2 SE o N est le pourcentage d'énergie absorbée et S la surface éclairée Dans le cas des puits quantiques, la quantification des énergies des porteurs conduit à une augmentation résonnante de l'absorption de la lumière. La figure 3 a représente un exemple pratique de réalisation Il s'agit d'un empilement: des puits quantiques PQ 1, PQ 2, PQ 3 de Ga As dopé à x 10 cm 2 d'épaisseur égale à 6 nm, des barrières de potentiel Bi, B 2, B 3, B 4 entourant les puits quantiques, de 25 nm d'épaisseur en AI O 24 ' Ga 76 ' As. Le tout est épitaxié par tout moyen de l'art sur un substrat de Ga As semi-isolant Les épaisseurs et les compositions des couches sont calculées pour obtenir une transition résonnante à 10 6 pnm. La figure 3 b représente le profil de potentiels de la bande de conduction de cette structure, mais on aurait pu représenter le profil potentiel de la bande de valence. En ce qui concerne le détecteur lui-même, des dimensions latérales de 100 x 100 micromètres, à titre d'exemple, conviendront Les contacts ohmiques latéraux pourront être obtenus par diffusion d'indium, par exemple En ce qui concerne la détection du courant, un génératuer de courant Gi peut être connecté aux bornes EL 1 et EL 2 du dispositif et la variation de potentiel mesurée par un détecteur synchrone DEC ou tout autre montage électronique de l'art. En se reportant aux figures 4 a et 4 b, on va maintenant décrire un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention. Le dispositif comporte, un substrat en Ga As semi-isolant, une alternance de couches formant des puits quantiques PQ 1, PQ 2, PQ 3 et de couches barrières Bl à B 4. Dans ces couches sont réalisées des diffusions ou des implantations de type N de façon à réaliser des contacts ohmiques avec des connexions CO 1 et C 02. La figure 4 b représnte en perspective la structure de la figure 4 a. Les différentes couches du dispositif peuvent être réalisées en Ga As et Al Ga As comme cela a été décrit précédemment. La figure 5 représente des résultats d'essais de fonctionnement obtenus à l'aide d'une structure selon l'invention Il s'agit de la réponse d'un détecteur à 15 K sous une irradiation laser de 1 m W à une longueur d'onde de 10, 6 pm en fonction de l'angle d'incidence 13 On constate que le composant détecte bien à incidence normale contrairement aux dispositifs connus avec une réponse de 0,05 A/W à 15 K. Il est à noter que, dans ce qui précède, le peuplement en porteurs, par exemple en électrons, du puits quantique est réalisé par dopage direct du puits ou dopage modulé des barrières On prévoit également, selon l'invention, que ce peuplement en électrons se fait à l'aide d'un rayonnement Rd représenté sur la figure 4 a (alors que le rayonnement à détecter est représenté par R) La caractéristique de ce rayonnement Rd doit être telle que sa longueur d'onde corresponde à une énergie supérieure à l'énergie de confinement du puits quantique c'est-à-dire supérieure à Eg + El + Ehh 1 o Eg est la largeur de bande interdite de la couche de puis quantique El est le premier niveau quantifié en électrons du puits quantique Ehh 1 est le premier niveau quantifié en trous du puits quantique. Dans les exemples de réalisation des figures 3 a et 4 a on considère à priori une détection d'un faisceau d'une seule longueur d'onde Cependant la structure de l'invention est appli- cable à la détection de plusieurs longueurs d'ondes Pour cela, on prévoit des puits PQ 1, PQ 2, PQ 3 de caractéristiques différentes Notamment, on peut prévoir des puits de largeurs différentes. Par ailleurs, le dispositif de l'invention peut être réalisé sous forme d'une barrette ou d'une matrice par implanta- tion d'électrodes dans une même plaque Chaque élément de la barrette ou de la matrice pouvant être lu individuellement Le fonctionnement a incidence normale du dispositif de l'invention permet une intégration et un fonctionnement sous forme matri- cielle. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple Les exemples numériques et de matériaux (Arsenic et Gallium par exemple) notamment n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1 Bolomètre électronique à puits quantique, caractérisé en ce qu'il comporte: un empilement de couches de semiconducteurs (B 1, PQ, B 2) réalisant au moins un puits quantique comportant au moins un premier niveau permis et possédant une face d'entrée (FE) parallèle auxdites couches destinée à recevoir un faisceau d'éclairement (R) selon un angle d'incidence par rapport à la normale compris entre O et 80 degrés des moyens de peuplement en porteurs de charges (électrons ou trous) du premier niveau permis; au moins deux électrodes situées sur deux parties latérales opposées de l'empilement de couches. 2 Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'incidence peut être voisin de O degrés. 3 Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de peuplement de porteurs de charges est un dopage direct de la couche du puits quantique et/ou un dopage modulé. 4 Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de peuplement en électrons comportent un faisceau lumineux de longueur d'onde supérieure à l'énergie de confinement du puits quantique. Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de puits quantiques. 6 Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des circuits de mesure de conductivité connectés aux électrodes (EL 1, EL 2). 7 Détecteur de rayonnements à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un bolomètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à être éclairé par un rayonnement à détecter selon un angle d'incidence voisin de l'incidence normale à la face d'entrée (FE). 8 Détecteur de rayonnements à semiconducteurs selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un arrangement de bolomètres en barrette, ou en matrice. 9 Détecteur de rayonnements à semiconducteurs selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plusieurs puits quantiques de caractéristiques différentes. Détecteur de rayonnement à semiconducteurs selon la revendication 9, caractérisé en ce que les épaisseurs des couches de puits quantiques sont différentes de façon à ce que chaque puits permette de détecter une longueur d'onde particulière.