Brevet FR2662855A1 — publié le 19911206

DETECTEUR D'ONDE ELECTRO~GNETIQUE L'invention concerne un détecteur d'onde électromagnétique et plus particulièrement un détecteur d'onde à semiconducteurs à puits quantiques. Le document de B.F. LEVINE et ai publié dans Applied Physic Letters n0 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 GaAs (telle que la couche 1) encadrée par deux couches de AlGaAs (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 GaAs. Sous éclairement, ces électrons sont excités dans la bande de conduction de la barrière de potentiel (AlGaAs) et sont collectés dans les contacts ohmiques (électrodes 4 et 5) situés de part et d'autre de l'empilement des puits quantiques.Dans ce dispositif, le photocourant est donné par le bilan détaillé au niveau de chaque puits. La génération G au niveau de chaque puits est donnée par G= &alpha; . # a où a est le coefficient d'absorption de chaque puits et est le flux de photons. La recombinaison est donnée par T où n est le nombre d'électrons photocréés à l'état p stationnaire dans la bande de conduction de la barrière et T est la durée de vie des électrons dans cette barrière.Le photocourant Ip est donc : I =n que p p où ,u est la mobilité dans AlGaAs q est la charge de l'électron et E le champ électrique appliqué, soit encore I =q(ll ) a 4 > E p On voit, en régime photoconducteur, que le courant est indépendant du nombre de puits à champ électrique constant. Un seul puits peut détecter la structure se repolarisant pour garder ce courant constant dans le détecteur. Ce paradoxe provient du fait que dans ce détecteur, le flux de photons est parallèle aux lignes de courant comme cela est représenté en figure la et non orthogonal, comme dans les photoconducteurs usuels. Plus précisément, si l'on regarde la courbe de flux de photons en fonction de la profondeur dans le matériau telle que représentée en figure lb, seule la bande correspondant au recouvrement de cette courbe et du premier puits quantique participe au photocourant. Alors que dans un photoconducteur usuel, tel que représenté en figure 2a, toute l'intégrale de la courbe participe à la photoconduction comme cela est représenté en figure 2b. L'idée de base de l'invention est de pouvoir obtenir cette géométrie transverse flux de photons-flux d'électrons- et de pouvoir ainsi faire participer tous les puits quantiques à la photoconduction. L'invention concerne donc un détecteur d'onde électromagnétique. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte un empilement de couches réalisant au moins un puits quantique d'un premier type en matériau photoconducteur fortement dopé et d'un puits quantique d'un deuxième type en matériau photoconducteur non dopé ; ledit empilement de couches possédant une face plane parallèle au plan des couches éclairées de façon oblique par un rayonnement à détecter ; un transfert d'électrons du puits du premier type vers le puits du deuxième type étant possible sous l'effet dudit rayonnement ledit empilement de couches possédant en outre deux parties latérales opposées perpendiculaires au plan des couches et munies chacune d'une électrode. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre et dans les dessins annexés qui représentent - les figures la et lb, un dispositif à puits quantique connu dans la technique - les figures 2a et 2b, un dispositif photoconducteur connu dans la technique - les figures 3a et 3b, un schéma simplifié du dispositif de l'invention; - les figures 4a et 4b, un schéma de fonctionnement détaillé du dispositif de l'invention; - les figures Sa et 5b, un exemple de réalisation détaillée du dispositif de l'invention. Le dispositif de l'invention, représenté de façon schématique en figure 3a, comporte un empilement de couches Bl,NDl,B2,TDl,B3. La couche TD1 est en matériau photoconducteur très dopé et constitue un premier puits quantique. La couche NDl est en matériau photoconducteur non dopé et constitue un deuxième puits quantique. Les couches Bl, B2, B3 constituent les barrières des puits quantiques. Des électrodes ELi, EL2 sont disposées sur deux tranches opposées du dispositif. Une telle structure présente un profil de bande de conduction tel que représenté en figure 3b. Notamment, le dimensionnement des puits est tel que le premier niveau d'énergie du puits non dopé ND1 est à une énergie supérieure au premier niveau d'énergie du puits très dopé TD1. Sous l'effet d'un rayonnement lumineux R reçu sur la face principale de la couche Bl, des électrons du puits quantique très dopé TDl sont transférés dans le puits non dopé Nid1. La mobilité des électrons est plus élevée dans le puits non dopé ND1 par rapport au puits très dopé TD1. Aux bornes des électrodes ELI et EL2 on va donc pouvoir détecter l'augmentation du courant. La figure 4a représente un exemple de réalisation plus complet du dispositif de l'invention. Il se compose d'un empilement alterné de puits quantiques très dopés PQTDl, PQTD2 (dopage nD > 1012 cl 3) et non dopés PQND1, PQND2. Ces puits sont délimités par des couches barrières B1,B2,B3,B4,B5. Les électrodes ELl,EL2 destinées à recevoir le photocourant sont normales aux plans des couches. Elles sont réalisés en utilisant les techniques usuelles de la microélectronique masquage et diffusion ou implantation de dopants. L'épaisseur des puits et la hauteur des barrières sont dimensionnées de telle sorte que le niveau quantique dans les puits PQND1, PQND2 est à une énergie supérieure à celui dans les puits PQTD1, PQTD2 de telle sorte qu'à la température de fonctionnement (environ 80 K) et sous obscurité, la grande majorité ( > 95 %) des électrons est dans les puits PQTD1 et PQTD2. En utilisant une configuration usuelle de photoconducteur, une résistance carrée RO sous obscurité est donnée par RO =1/ q nD #TD N où: - q est la charge de l'électron, - N le nombre de puits quantiques - #TD la mobilité des électrons dans ces puits. A 80 K, cette mobilité est détériorée par le fort dopage (uTD 103 103 cm2/Vs) comme cela est décrit dans l'article de J. S. BLAKEMORE Journal Applied Physic 53, R123 (1982). Sous illumination, les électrons sont excités dans la bande de conduction des barrières. Certains d'entre eux vont se recombiner dans les puits PQND1 et PQND2. Afin d'augmenter cette proportion d'électrons transférés on prévoit de fournir un champ électrique interne. Pour cela on prévoit un gradient de composition en Aluminium des barrières B1 à B5 de façon à obtenir une bande de conduction telle que représentée en figure 4b. Les électrons dans les puits PQND1 et PQND2 vont être collectés par le champ électrique entre les deux électrodes. Les puits étant non dopés, la mobilité des électrons CLND est alors bien plus grande ( nd # 2 x 105 cm/Vs). On va détecter un photocourant dû au contraste de mobilité entre les deux puits. Si l'on suppose un coefficient d'absorption de a par puits ( &alpha; # 2%. ou 2 x 10-3) et un rendement quantique de n ( n # 0.2), le courant I dans les puits PQND1 et PQND2 est donné par p I = q ri N a # ND E p où: ri est le rendement quantique est estla mobilité des électrons dans le puits non dopé. Le rapport courant photocréé sur courant d'obscurité est alors Ip/Io = ( # &alpha; ( /nD) x ND/ TD) Par exemple, pour un flux de photons de 1013 cm-2.s-1,1013 ce rapport vaut environ: Ip/Io = 4.109/1012 x 105/103 = 40 % Bien sûr, ce chiffre dépend de manière critique du rendement quantique du transfert d'électrons entre les puits ( # ). Ce dispositif à photoconducteur selon l'invention présente les avantages suivants - Sa résistance carrée en obscurité est compatible avec les valeurs usuelles utilisées pour les photoconducteurs commerciaux (100 Ohm). En effet, pour 50 puits dopés à 1012 -2 cm , cette résistance vaut environ: 125 ohms - Les conditions sur les épaisseurs d'isolant sont moins strictes que pour le transport perpendiculaire. Dans ce dernier cas, une épaisseur minimum de 50 nm est nécessaire au vu des forts champs électriques transverses utilisés dans ces composants. Une épaisseur de 25 nm sera suffisante dans notre cas. - Le gain de photoconduction G sera très important. Ce gain est donné par le rapport du flux d'électrons excités sur le flux de photons, soit G = T T E/L = T /tr où T est la durée de vie des électrons dans les puits PQND1 et PQND2 et tr est le temps de transit des électrons entre les deux électrodes de contact. L'épaisseur des barrières B2,B3,B4 est suffisante pour empêcher l'effet tunnel, et la durée de vie des électrons est donnée par la formule T ~ T O e A E/kT o ou : T est le temps de capture dans le puits (environ 10 s) A E est la hauteur de barrière entre le niveau du PQND et le sommet de la bande de conduction de AlGaAs. Pour le dispositif de la figure 4, AE vaut environ 90 meV, T vaut donc environ 1 ,us. La tension appliquée entre les électrodes doit éviter de trop chauffer le gaz d'électrons, c'est-à-dire ND x E doit, par exemple être inférieur ou égal à 107 cm/s. Le champ E ne doit donc pas dépasser 102 V/cm. Pour un composant de 100 ,etm de côté, cela fait un temps de transit de 10 9 seconde et donc un gain de photoconduction de 103. Enfin, la figure 4 peut être réalisée avec l'exemple pratique de réalisation suivant - un puits quantique fortement dopé tel que PQTD1, est en GaAs dopé à 1 x 1012 cm-2, 1012 d'épaisseur égale à 6 nm. - une barrière de potentiel telle que B2 est constituée d'un alliage de A1xGa1-xAs avec une composition x variant de 22 % à 20 % en s'éloignant du puits quantique dopé. - un puits quantique non dopé tel que PQND1 en GaAs d'épaisseur 4,5 nm. L'épaisseur et la composition des puits fortement dopés sont calculées pour obtenir une transition résonante entre le niveau quantique et la bande de conduction de la barrière. Le gradient de concentration induit une différence de potentiel de 10 mV entre les deux puits. Enfin, l'épaisseur et la composition du deuxième puits sont calculées pour obtenir une différence d'énergie de 30 meV entre les niveaux quantiques des deux puits. La densité de porteurs à l'équilibre dans le deuxième puits n'est que de quelques % à l'équilibre. En ce qui concerne le détecteur lui-même, des dimensions latérales de 100 x 100 micromètres, à titre d'exemple, conviendront. Pour éviter l'apparition d'une zone désertée en surface du dispositif, ce qui pourrait diminuer le rendement quantique du dispositif, on pourra utiliser tous les moyens connus dans l'art par exemple contre-électrode de surface ou implantation ionique sur la surface SI du dispositif opposée à la face exposée au rayonnement à détecter. En ce qui concerne la détection du courant, un générateur de tension doit être connecté aux deux bornes ELl et EL2 du dispositif et le courant est mesuré par un ampèremètre ou tout autre montage d'électronique de l'art. En se reportant aux figures Sa et 5b, on va maintenant décrire un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention. Le dispositif comporte, un substrat en GaAs semi-isolant, une alternance de couches formant des puits quantiques PQND1, PQTD1, PQND2 et couches barrières B1 à B4. Dans ces couches sont réalisées des diffusions ou des implantations de type n de façon à réaliser des contacts ohmiques avec des connexionx COl et C02. La figure 5b représente en perspective la structure de la figure Sa. Les différentes couches du dispositif peuvent être réalisées en GaAs et AlGaAs comme cela a été décrit précédemment. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. Les exemples numériques et de matériaux notamment n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1. Détecteur d'onde électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de couches réalisant au moins un puits quantique d'un premier type (TD1) en matériau photoconducteur fortement dopé, un puits quantique d'un deuxième type (ND1) en matériau photoconducteur non dopé ledit empilement de couches possédant une face plane parallèle au plan des couches éclairées de façon oblique par un rayonnement à détecter (R) ; un transfert d'électrons du puits du premier type (TD1) vers le puits du deuxième type (ND1) étant possible sous l'effet dudit rayonnement ; ledit empilement de couches possédant en outre deux parties latérales opposées perpendiculaires au plan des couches et munies chacune d'une électrode (EL1,EL2). 2. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche barrière (B2) séparant les deux puits (TDl,NDl) est d'une épaisseur telle qu'elle interdit l'effet Tunnel. 3. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches barrières (B1 à B3) présentent un gradient de composition de telle manière qu'elles possèdent un champ électrique interne. 4. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs alternances de puits du premier type et de puits du deuxième type, les gradients de composition des barrières séparant les différents puits étant tels que le champ électrique interne de chaque barrière est orienté d'un puits fortement dopé vers un puits faiblement dopé. 5. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les puits sont réalisés en GaAs et les barrières sont réalisées en AlGaAs. 6. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gradient de composition est obtenu par un gradient de composition en Aluminium. 7. Détecteur d'onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties latérales au plan des couches sont constituées par des dopages ou des diffusions de type n de façon réaliser des contacts ohmiques sur les flancs des couches constituant le détecteur.