Brevet FR2679381A1 — publié le 19930122

- Convertisseur opto-électronique La présente invention concerne un convertisseur opto-électronique destiné notamment à être utilisé comme composant de base dans des systèmes de communication et de traitement de5 l'information à très haut degré d'intégration. On appelle convertisseur opto-électronique un composant présentant une impédance électromagnétique variable en fonction de l'énergie optique ou du champ électrique statique qu'il reçoit. A l'heure actuelle les composants les plus petits de ce genre ( 100 A environ) comportent un matériau à réponse non linéaire, par exemple de type semi-conducteur II/VI tel que Cd S, Cd Sx Se x enfermé dans des billes de verre dont la variation de couleur est due à la fois à la variation de la composition et au confinement quantique Ces matériaux présentent le défaut de n'être pas très stables dans le15 temps. Les mêmes matériaux ou des matériaux semi-conducteurs de type III/V, tels que In Ga As, présentant le même type de propriétés, peuvent être optimisés dans des systèmes de taille millimétrique. Par ailleurs on sait que les propriétés non linéaires peuvent être augmentées par abaissement de la dimensionnalité, comme indiqué dans les articles parus dans J opt Soc Am B 2 ( 1985) 1155 et Phys. Rev B 36 ( 1987) 9293 Toutefois ces systèmes conservent encore une dimension de l'ordre de plusieurs millimètres. La présente invention a pour but de réaliser un convertisseur opto-électronique dont les dimensions soient de l'ordre du nanomètre. La présente invention a pour objet un convertisseur opto-électronique, caractérisé par le fait qu'il comprend une cavité résonante mésoscopique constituée par un fil quantique, en matériau conducteur ou semiconducteur, situé entre deux miroirs électroniques30 de taille nanométrique, ledit fil étant coupé sur un intervalle de l'ordre de quelques dizaines d'angstrdms, intervalle dans lequel est inséré un matériau photosensible, des plots étant prévus aux extrémités de ladite cavité pour permettre le passage d'un courant électrique. On entend par cavité résonante mésoscopique une cavité résonante -2- de taille nanométrique. Le principe de fonctionnement de cette cavité est la modulation de l'impédance de la ligne électronique quantique au moyen d'une onde optique dont l'objet est de modifier les niveaux d'énergie accessibles sur la molécule du matériau photosensible. On entend par matériau photosensible un photosensibilisateur tel que la rhodamine B, un colorant tel que les molécules azoiques ou les cyanines, les thiazoles, les xanthènes, les semi-conducteurs de type II-VI ou III-V déjà évoqués plus haut. Les photons absorbés dans le matériau photosensible modifient la conductivité de la cavité. Selon un mode de réalisation, ledit fil quantique présente une longueur comprise entre 100 A et 5000 A, o o une largeur comprise entre 20 A et 500 A, une épaisseur comprise entre 2 A et 10 A. La largeur dudit intervalle peut être comprise entre 5 A et ce A. Le courant susceptible d'être appliqué dans ledit fil quantique est compris entre 10-8 et 10-16 ampère. Le matériau dudit fil quantique peut être choisi parmi l'or, l'argent, le cuivre, le platine, l'alliage or-palladium, ou tout autre métal noble; ce peut être également un semi-conducteur dopé tel que le silicium ou l'As Ga dopé, ou un polymère conducteur électronique. Le miroir électronique est élaboré par création d'une rupture d'impédance aux extrémités du fil: par un changement de matériau, par exemple un passage cuivre/or ou As Ga/Pt; par un simple gap de faible largeur, telle que 1 Angstrëm. L'énergie optique envoyée sur le matériau photosensible est extrêmement faible Elle est de l'ordre d'une fraction de picojoule. Cette énergie est suffisante pour faire varier l'impédance de la cavité entre lesdits plots. L'énergie dissipée dans le convertisseur selon l'invention étant également extrêmement faible, il peut être utilisé sans inconvénient à -3 - très basse température. Le convertisseur selon l'invention peut être réalisé sur un support isolant en silice, ou en silicium, par les techniques de nanolithographie connues De telles techniques sont décrites en5 particulier dans les articles suivants: l 1 l "Nanofabrication" par H I Smith et al PHYSICS TODAY February 1990, p 24 à 30. l 21 "Nanolithography with a high resolution STEM" par C P Umbach et al IBM J Res Develop Vol 32 n 4 July 1988 p 454 à 461.10 ú 31 "Nanostructure technology" par T H P Chang et al IBM J Res. Develop vol 32 n 4 July 1988, p 462 à 487. ú 43 "Resolution limits for electron-beam lithography" par A N BROERS IBM J Res Develop vol 32 n 4 July 1988 p 502 à 512. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre illustratif mais nullement limitatif Dans le dessin annexé: La figure 1 est une vue de dessus très schématique d'un convertisseur opto-électronique selon l'invention. La figure 2 montre les variations de l'admittance d'une cavité selon l'invention en fonction de l'onde optique incidente. On part d'un support 1 à base de silice tel qu'une membrane en Si N 4 d'épaisseur 1 000 A On y réalise par une technique de nanolithographie une cavité mésoscopique 2 en métal noble, tel que25 l'or palladium Cette cavité est constituée d'un fil quantique 3 o ayant une longueur de 5000 A, une largeur de 300 A et une épaisseur de A; elle est fermée par deux miroirs 4 et 5 en cuivre qui prolongent le fil 3 Deux plots 6 et 7 en or ou en argent sont prévus pour amener du courant dans la cavité 2.30 Par bombardement électronique sous 300 Kvolts on coupe le fil quantique 3 sur une distance 8 de l'ordre de 50 A On insère dans l'intervalle ainsi formé un matériau 9 tel que de la rhodamine B photosensible La méthode consiste à mettre ce matériau en solution dans un solvant puis à imprégner et à laisser sécher Un tel matériau35 est sensible à un rayonnement optique de longueur d'onde comprise -4- entre 0,3 am et 0,8 am, avec une énergie de 10-3 picojoule. On utilisera préférentiellement le styril 9 pour des absorptions autour de 700 nm, la rhodamine B pour 590 nm, la rhodamine 66 pour 530 nm, la coumarine 6 pour 500 nm, la coumarine 102 pour 450 nm, le stylbène 3 pour 400 nm. Lorsque l'on amène un courant alternatif ou continu par les plots 6 et 7 dans la cavité selon l'invention, toute modification de l'éclairement des molécules photosensibles va induire une modification de l'impédance donc de la transmittance de la cavité, effet qui va10 avoir une conséquence sur le rapport courant/tension Il y aura donc détection électrique d'une propriété optique comme le montre la figure 2 On a reporté dans cette figure En abscisses, le rapport A/A O correspondant à l'amplitude normalisée de l'onde optique incidente. En ordonnées, le rapport R/R O correspondant à l'admittance normalisée de la cavité. La courbe 20 correspond à un intervalle 8 de 50 A, tandis que les courbes 21, 22, 23 correspondent respectivement à des cavités de même nature mais avec un intervalle 8 de largeur l OA, 15 A, 100 A.20 Selon un autre mode de réalisation, on se sert d'une tête de microscope tunnel pour venir positionner un certain nombre de molécules de rhodamine B dans l'intervalle 8 (Cette méthode très précise a en outre pour avantage de pouvoir disposer sur plusieurs cavités connectées en série ou en parallèle des molécules25 photosensibles distinctes susceptibles d'être sensibles à des longueurs d'onde différentes). Compte tenu des dimensions du convertisseur opto-électronique selon l'invention, il est possible d'en intégrer plus de 100 000 sur un support de 1 mm 2.30 Bien entendu, on peut remplacer par d'autres matériaux les matériaux de la cavité qui vient d'être décrite. Ainsi, le support 1 peut être en Ga As recouvert d'une membrane en Al Ga As non dopé, d'épaisseur 1000 A On sait doper Al Ga As avec de l'indium ou du phosphore suivant un fil présentant les dimensions35 indiquées plus haut Les miroirs sont en platine et les reprises de -5- courant sont en or ou en argent. Selon encore une autre variante, la membrane est en Al Ga As dopé et le fil de la cavité en Al Ga As non dopé Toute autre disposition équivalente peut être envisagée. -6- REVENDICATIONS 1/ Convertisseur opto-électronique, caractérisé par le fait qu'il comprend une cavité résonante mésoscopique constituée par un fil quantique, en matériau conducteur ou semi-conducteur, situé entre deux miroirs électroniques de taille nanométrique, ledit fil étant coupé sur un intervalle de l'ordre de quelques dizaines d'angstrbms, intervalle dans lequel est inséré un matériau photosensible, des plots étant prévus aux extrémités de ladite cavité pour permettre le passage d'un courant électrique. 2/ Convertisseur opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit fil quantique présente o o une longueur comprise entre 100 A et 5000 A, une largeur comprise entre 20 A et 500 A, une épaisseur comprise entre 2 A et 10 A. 3/ Convertisseur opto- électronique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit intervalle a une largeur comprise o o entre 5 A et 100 A. 4/ Convertisseur opto-électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit courant susceptible d'être appliqué dans ledit fil quantique est compris entre 10 8 et 10 16 Ampère. / Convertisseur opto-électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le matériau dudit fil quantique est choisi parmi l'or, l'argent, le cuivre, le platine, un alliage or-palladium. 6/ Convertisseur opto-électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le matériau dudit fil quantique est choisi parmi un semi-conducteur dopé, et un polymère conducteur électronique. 7/ Convertisseur opto-électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit matériau photosensible est choisi parmi un photosensibilisateur tel que la rhodamine B, un colorant tel que les molécules azoiques et les cyanines, les thiazoles, les xanthèses. 8/ Convertisseur opto-électronique selon l'une des revendications 1 à -7- 6, caractérisé par le fait que ledit matériau photosensible est choisi parmi les semi-conducteurs II-VI, tels que Cd S, Cd Sx Sel x I et les semi-conducteurs III-V tels que In Ga As. 9/ Convertisseur optoélectronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits miroirs électroniques sont réalisés par un changement de matériau aux extrémités du fil définissant ainsi une rupture d'impédance. 10/ Convertisseur optoélectronique selon l'une des revendications l à 8, caractérisé par le fait que lesdits miroirs électroniques sont réalisés par simple coupure du fil sur une distance de l'ordre de 1 Angstr 5 m, définissant ainsi une rupture d'impédance.