Brevet FR2678774A1 — publié le 19930108

DETECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES L'invention concerne un détecteur d'ondes électromagnétiques et notamment un détecteur en matériaux semiconducteurs à puits quantiques. On connaît les détecteurs de radiations infrarouges à puits quantiques utilisant les transitions entre niveaux liés et niveaux libres d'une part et entre niveaux liés d'autre part On rappelle brièvement leur mode de fonctionnement. Il s'agit d'un empilement de couches alternées d'un semiconducteur à petit gap (SPG) entre deux semiconducteurs à grand gap (SGG) (comme représenté en figure la) L'écart énergétique entre les bas de bande de conduction des deux semiconducteurs est le "band-offset" A E Par exemple, ces deux semiconducteurs peuvent être en Ga As pour SPG et Alx Ga 1 x AS (o x varie entre O et 1) pour SGG Les électrons dans une telle structure sont soumis à un puits de potentiel de profondeur A E et de largeur d, o d est la largeur de la couche du SPG Si la largeur d est suffisamment petite, l'énergie des électrons correspondant au mouvement perpendiculaire aux couches est quantifiée en niveaux E 1, E 2 Dans les détecteurs photoconductifs liés-libres, le niveau El est lié (E 1 A E) Si le niveau El est occupé par un électron (par dopage par exemple), un photon d'énergie h v supérieure à A E-E 1 provoque une transition optique L'électron est alors libre de se déplacer et peut être détecté comme un courant aux bornes des multipuits (voir figure lb). La structure détectrice est alors représentée en figure 2 Elle comporte un empilement de couches SGG/SPG/SGG dopées pris en sandwich entre 2 couches épaisses et très dopées de SPG assurant le contact ohmique Le dispositif est à une température suffisamment faible pour que tous les électrons soient piégés dans les puits quantiques Ce courant est donné par la relation: Jth = Jtho e l( A E-E 1)-EFl/k T ( 1) o T est la température, k la constante de Boltzmann, EF est le niveau de Fermi des électrons dans les puits quantiques, Jtho est le courant thermoionique donné par le document K Brennan and Y Wang: "Analysis of the two-dimensional dark currents in quantum well devices", Appl. Phys Lett 57, 1337 ( 1990). La réponse de ce photoconducteur est donnée par le raisonnement suivant La densité volumique de porteurs est déterminée par le bilan entre la génération optique d'une part G= N b/t o ri est le rendement quantique, le flux de photons et t l'épaisseur du dispositif et la recombinaison d'autre part R n/'r o N est la densité volumique d'électrons dans la bande de conduction du SGG et T est la durée cde vie de cet électron La densité d'électrons photoexcités N est donné par G = R soit n =Tl T /t et la densité de courant par j =nq g E j = qn T E/t ( 2) o p est la mobilité des électrons dans le SGG et E est le champ électrique appliqué La réponse R de la structure est donnée par R=j/ h v = qrn i E/t hv On constate qu'à champ électrique constant, cette réponse est indépendante du nombre de puits en régime stationnaire L'invention concerne un dispositif dans lequel la réponse est croissante lorsque le nombre de puits augmente La réponse est alors augmentée, ce qui augmente la détectivité. L'invention concerne donc un détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un empilement de couches de matériaux différents présentant des largeurs de bandes interdites différentes, de façon à constituer un empilement de puits quantiques, caractérisé en ce que l'empilement de couches est compris entre un contact ohmique et une jonction redresseuse. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: les figures la, lb et 2, des dispositifs de détection connus dans la technique; la figure 3, un exemple général de réalisation d'un dispositif selon l'invention; la figure 4, un exemple de réalisation détaillé d'un dispositif selon l'invention; la figure 5, une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention; les figures 6 a à 6 c, des diagrammes d'énergie explicatifs du fonctionnement du dispositif selon l'invention; les figures 7 et 8, un fonctionnement en niveaux lié/lié du dispositif selon l'invention. On prévoit donc une structure représentée en figure 3 comportant un empilement de puits quantiques 1 constitués de couches en semiconducteur à grand gap (SGG) et de couches à semiconducteur à petit gap (SPG) tel que A E-E hv o: t E est l'écart énergétique entre les bas de bande de conduction des deux matériaux E est la valeur de l'énergie du premier permis des couches SPG hv est l'énergie d'un photon à détecter. L'empilement de puits quantiques est muni d'un côté, d'une jonction redresseuse de courant 2 et de l'autre côté, d'un contact ohmique 3. Un générateur de tension continue est connecté à la jonction 2 et au contact ohmique par un système d'inversion SW permettant d'inverser la tension appliquée. Un détecteur DET placé en série avec le générateur de tension permet de détecter la circulation d'un courant. De façon plus détaillée, comme cela est représenté en figure 4, la structure selon l'invention peut être réalisée par exemple de la manière suivante: couches SPG (puits quantiques) en Ga As d'épaisseur environ d = Snm; couches SGG (barrières) en Al x Ga X As (avec x = 0,22 par exemple) d'épaisseur environ L = 30 nm; On a alors A E-E = 120 me V et l'on peut détecter des ondes de 10,6 Hum de longueurs d'ondes. Le contact ohmique est une couche de nature similaire à celle des couches SPG et est dopée n+ Il s'agit de Ga As-n+ dans l'exemple pris. La jonction redresseuse peut être une barrière du type SCHOTTKY ce qui donne une structure suivante: Métal/Alx Ga 1 x As/Ga As/Al X Ga 1 x As/ /A lx Gal As/Ga As n+ La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle la jonction redresseuse comporte une barrière dont la hauteur DE est nettement supérieure à A E Par exemple cette barrière peut être en A ly Ga y As avec y supérieur à x prévu dans la composition des barrières Alx Ga x As La structure a donc la configuration suivante Ga As-n+/Aly Ga y As/Alx Galx As/Ga As/ /Ga As- n+ Dans ce qui va suivre nous explicitons le deuxième type de structure et nous considérons à titre d'exemple que y = 0,4. Dans cette structure, le courant statique Jf est dominé par la jonction Ga As-n+/A 10 40 Ga O 6 As qui a une hauteur de barrière DE " AE Ce courant est donné par la relation J = A 'T 2 e-q DE/k T f o A* = Constante de Richardson Comme DE > A E, on voit qu'à température égale le courant statique est beaucoup plus faible dans cette structure que dans les structures connues Cette structure est alors soumise à des impulsions de potentiel comme représenté en figure Ga Pendant un temps t R, on applique une polarisation VR qui est telle que les puits quantiques sont remplis par le contact ohmique Pendant un temps tv, on applique une polarisation inverse Si aucun photon n'est incident, la structure est dominée par l'émission thermique des électrons Ce taux d'émission e est donné par 5. e = C Vth Nce-l( AE-E 1)-EFl/k T ou: est la section efficace de capture, Vth la vitesse thermique des porteurs, N la densité effective dans la bande de conduction c de Al X Ga x As. On peut relier approximativement e de cette équation n au courant Jth de l'équation ( 1) par la relation Jth =no' q en o N est le dopage du puits. o Il est donc important de constater que les conditions pour avoir un courant d'obscurité faible dans un photoconducteur sont très voisines de celles pour avoir une constante de temps grande pour l'émission thermique Par exemple, si l'on veut utiliser la structure selon l'invention pour une détection vidéo (en puits quantiques contrairement au cas photodétecteur. A titre d'exemple, les valeurs typiques de section efficace optique sont de 5 x 10 15 cm? Pour des temps de lecture de 1/24 seconde, la réponse reste linéaire pour Cr 4 important (environ 50 p W pour des photons de 100 me V). Dans ce cas i T = q N N Cop ( 3) On rappelle que dans les dispositif S connus, le courant photoconducteur est donné par l'équation ( 2). Si on compare le courant i T au courant J de l'équation ( 2), on démontre que i T/J = t/ T Fi E = t/À Ceci est l'inverse du gain de photoconduction Pour une épaisseur t = 5 pim, un produit RT de 2 10-9 V cm-2 et E = 104 V/cm, ce gain inverse est de 25 Un tel gain permettra de faire fonctionner le dispositif a de plus hautes températures. Une autre configuration de ce composant à l'électrode bloquante est de l'utiliser pour des transitions liées-liées, c'est-à-dire lorsque le niveau E est à l'intérieur du puits (figure 7) On sait qu'on est alors obligé, dans les photoconducteurs quantiques de rapprocher les puits suffisamment pour permettre la conduction tunnel d'un puits à l'autre, ce qui -augmente le courant d'obscurité et donc détériore la détectivité Dans le fonctionnement transitoire par électrode bloquante, la condition par effet tunnel entre puits peut être évitée Il suffit cette fois que la probabilité d'émission par effet tunnel hors du puits soit suffisamment élevée pour court-circuiter la recombinaison entre sous-bandes. Ce temps est de l'ordre de 10 picosecondes, il suffit donc d'appliquer un champ électrique tel que le temps tunnel sur le deuxième niveau soit inférieur à 10 ps. Deux conditions doivent donc être respectées Condition 1: e FN A t E) 10 ils e FN est le taux d'émission par tunnel assisté par le champ électrique ou effet Fowler-Nordheim. La condition l veut dire que le taux d'émission est bien plus faible que la fréquence vidéo et la condition 2 assure que, néanmoins, l'électron sur l'état excité sortira du puits avant de se recombiner sur le niveau fondamental Un exemple remplissant ces deux conditions est donné en figure 8. Dans cet exemple, le pourcentage en Aluminium dans la barrière est d'environ 25 %. Taille du puits: 7,5 nm Ce puits absorbe à 10 6,um et peut fonctionner jusqu'à K. Les circuits de polarisation et de lecture de tels dispositifs impulsionnels seraient équivalents aux circuits utilisés de l'art dans les détecteurs Si: Ga à bande d'impuretés bloquées. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention Notamment les compositions des couches de matériaux et leurs épaisseurs peuvent être différentes de celles indiquées dans ce qui précède. REVENDICATIONS i Détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un empilement de couches de matériaux différents présentant des largeurs de bandes interdites différentes, de façon à constituer un empilement de puits quantiques, caractérisé en ce que l'empilement de couches est compris entre un contact ohmique et une jonction redresseuse. 2 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction redresseuse comporte une diode Shottky. 3 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction redresseuse comporte une barrière de largeur de bande interdite nettement plus élevée que celle des barrières des puits quantiques. 4 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'application d'une tension directe et dtune tension inverse connectés d'une part au contact ohmique, d'autre part à la jonction redresseuse. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la barrière de la jonction redresseuse est en un matériau comportant les mêmes constituants que celui des barrières des puits quantiques mais en composition différente. 6 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement de puits est un empilement de couches Ai Ga As/Ga As/Al Ga As x l-x x l-x 7 Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la barrière de la jonction redresseuse est de type Aly Ga Y Al avec y supérieur à x.