Brevet FR2682477A1 — publié le 19930416

4/ SPECTROMETRE L'invention concerne un spectromètre et plus particulièrement un dispositif à l'état solide permettant l'analyse en longueurs d'ondes d'une onde électromagnétique (spectrophotomètre) Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce dispositif est réalisé à base de matériaux semiconducteurs à puits quantiques. On connaît les détecteurs de radiations à multipuits quantiques (DMPQ) utilisant des 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 de grands gaps (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 A Ix Ga X As (o x varie entre O et 1) Les électrons dans une telle structure sont soumis à un puits de potentiel de profondeur AE et de largeur d, o d est l'épaisseur de la couche SPG Si la largeur d est suffisamment petite, l'énergie des électrons correspondant au mouvement perpendiculaire aux couches est quantifiée en niveaux El E 2 Dans les détecteurs photoconductifs liés-libres, le niveau El est lié (E 1 ô 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 El provoque une transition optique (voir figure lb). L'électron est alors libre de se déplacer et peut être détecté comme un courant aux bornes du multipuits quantique (voir figure lc). On connaît aussi les modulateurs optiques utilisant les puits quantiques asymétriques (PQA) Un exemple de puits quantique asymétrique est représenté en figures 2 a et 2 b Le puits quantique est formé de deux semiconducteurs à petits gaps SPG 1 et SPG 2 avec AE 1 > A E 2 Ceci est réalisé par exemple avec Ga As pour SPG 1 et AI Gaî As pour SPG 2 Ce puits x l- quantique est confiné entre deux barrières d'un semiconducteur à grand gap SGG qui peut être réalisé en A Iy Ga 1 y As avec y compris entre O et 1 et supérieur à x. Les empilements sont réalisés de telle sorte qu'il y ait au moins deux niveaux liés E'1 et E 2, dans le puits Un photon d'énergie h v = E 2 ' E 1 est alors absorbé dans îO le puits (figure 2 b) Ces puits quantiques peuvent être empilés pour réaliser une structure à multipuits quantiques asymétriques (MPQA) comme représenté en figure 2 c. Lorsque l'on applique un champ électrique P aux bornes C 01 et C 02 des MPQA, la position des niveaux E'1 et E'2 est changée: c'est l'effet STARK linéaire La longueur d'onde de résonance pour les photons devient alors h v(F) = h v O + q F 612 o q est la charge de l'électron et 612 est la distance entre les positions moyennes de l'électron sur le niveau E'1 et le niveau E'2 (voir figure 3 a) Les pics d'absorption sont alors déplacés vers des énergies plus grandes (longueurs d'onde plus faibles) pour F > O (figure 3 b) et moins grandes pour F Comme cela est représenté sur la figure 3 c, le pic d'absorption du modulateur peut donc être déplacé à partir d'une longueur d'onde donnée, vers des longueturs d'ondes plus faibles (F > 0) ou plus élevées F L'objet de l'invention est de réaliser un dispositif d'analyse de spectre de fréquences optiques à l'aide des dispositifs connus à puis quantiques. L'invention concerne donc un spectromètre caractérisé en ce qu'il comporte: un modulateur d'intensité lumineuse possédant une gamme de longueurs d'ondes de modulation déterminée qui est réglable en fonction d'un signal de commande, ce modulateur recevant un faisceau optique et retransmettant un faisceau optique modulé dans lequel toute longueur d'onde contenue dans la gamme de longueur d'onde de modulation est modulée par le modulateur; un détecteur d'intensité lumineuse fonctionnant dans une large gamme de longueurs d'ondes, recevant le faisceau optique modulée et fournissant un signal électrique en fonction de l'intensité détectée. Dans un tel dispositif le modulateur est réalisé sous la forme d'un modulateur à puits quantiques dont la gamme de longueurs d'ondes de modulation est commandée par une tension de commande Le détecteur est également un détecteur à puits quantiques Le détecteur et le modulateur sont empilés sur un même substrat. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: les figures la à 3 c, des dispositifs connus dans la technique et déjà décrits précédemment; la figure 4, un exemple de réalisation générale d'un spectrophotomètre selon l'invention; les figures 5 a, 5 b, un exemple de réalisation préféré d'un spectrophotomètre selon l'invention; les figures 6 a à 6 c des diagrammes de fonctionnement du spectrophotomètre de la figure 5 a; les figures 7 a et 7 b des diagrammes de fonctionnement du spectrophotomètre de 1 'invention fonctionnant sous la commande d'un signal de tension modulé. En se reportant à la figure 4, on va donc tout d'abord décrire un exemple général de réalisation d'un spectrophotomètre selon l'invention Ce spectrophotomètre comporte un modulateur d'intensité lumineuse 1 modulant la lumière dans une gamme étroite de longueur d'onde (point de modulation) Aux autres longueurs d'ondes, le modulateur idéalement est transparent Des moyens de commande, telle qu'une source de tension U permettent d'appliquer un signal de commande au modulateur 1 de façon à déplacer à volonté son point de modulation. Un détecteur d'intensité lumineuse 2 est associé au modulateur 1 Il reçoit du modulateur la lumière ayant traversé le modulateur et fournit en fonction de l'intensité lumineuse reçue, un signal qui est affiché sur un dispositif de détection DET. L'exemple qui suit permet de clarifier le fonctionnement de l'invention. ' Le modulateur 1 est éclairé par le faisceau E à analyser Si le point de modulation du modulateur 1 ne correspond à aucune des longueurs d'ondes contenues dans le faisceau E toute la lumière est transmise au détecteur 1 qui détecte donc le maximum d'intensité Sous l'effet d'un signal de commande, le point de modulation du modulateur est déplacé. Lorsqu'il correspond à une longueur d'onde contenue dans le faisceau E, il absorbe en tout ou partie cette onde et le faisceau retransmis au détecteur 2 est diminué en intensité de la valeur correspondant à l'intensité absorbée. En se reportant aux figures 5 a et 5 b on va maintenant décrire un exemple de réalisation préféré de l'invention dans lequel le modulateur 1 et le détecteur 2 sont réalisés sous forme de structures à puits quantiques empilés sur un même substrat S. Ce dispositif comporte donc le substrat S, un empilement de couches SGG/SPG/SGG dopées formant un détecteur 2 à multipuits quantiques (DMPQ), pris en sandwich entre deux couches épaisses et très dopées de SPG assurant le contact ohmique et, au dessus, un empilement de couches SGG/SPG 1/SPG 2/SGG dopées formant le modulateur 1 à multipuits quantiques asymétriques MPQA pris en sandwich entre deux couches épaisses et très dopées de SPG formant un contact ohmique Des contacts électriques sont pris sur le contact ohmique du fond (CO 1), celui intermédiaire entre le DMPQ et les MPQA (C 02) et celui du dessus (C 03) Le DMPQ est réalisé de telle sorte que sa réponse spectrale soit large, par exemple entre 8 et 12 micromètres Une tension V 1 est appliquée entre CO 1 et C 02 pour alimenter le DMPQ Les MPQA sont réalisés de telle sorte que le pic d'absorption à h v ' varie entre 8 et 12 micromètres suivant la tension appliquée V 3 (figure 5 b). Le flux de photons O D arrivant au détecteur est alors: AD (hv) = (hv):' l 1 ct(h v + q F 612)1 o 'c dénote le produit de convolution La réponse R du détecteur est alors RD (h) = R (hv) ' l (h v) ' l 1 ca(hv+ q F 612)l Connaissant R (hv) et a (hv), mesurant RD (h v) pour diverses valeurs de F on peut donc remonter à M (h y), c'est-à-dire faire la spectrophotométrie du rayonnement incident, en effectuant la déconvolation de l'équation précédente Un cas particulièrement simple et important est le cas o j' (h v) est une série de pics d'émission ou d'absorption d'un gaz, un liquide, etc apparaissant à des énergies h v i (voir figure 6 a) Lorsque l'on varie continuellement le champ électrique F appliqué aux MPQA, le pic d'absorption défile devant chaque pic d'émission incidente (figure 6 b) pour des champs électriques donnés par Fi = (Ih v h v) q 612 La réponse du DMPQ qui intègre les contributions de tous les pics entre 8 et 12 pin, par exemple, est constante sauf lorsque le potentiel appliqué aux bornes des PQA satisfait à cette équation La réponse présente alors un minimum de pic pour chaque Fi MPQA (figure 6 c) On a donc effectué un spectrophotomètre en balayant une tension appliquée au modulateur Ce dispositif est bien un spectrophotomètre à l'état solide, voire microscopique. Le contraste de spectrophotomètre peut être augmenté en utilisant une méthode de détection synchrone. On fait balayer lentement le champ électrique appliqué et I'on superpose (par des moyens non représentés) à cette tension, une modulation alternative (figure 7 a) On détecte alors le courant généré dans le détecteur MPQ par détection synchrone II est connu que le signal obtenu est la dérivée du signal obtenu dans la mesure statique précédente. Le signal est donc non nul seulement près des pics, ce qui augmente le contraste (figure 7 b). Nous proposons maintenant un exemple de réalisation du dispositif Le dispositif est réalisé par une technique de dépôt épitaxique selon l'art, comme l'épitaxie par jets moléculaires A partir d'une plaquette de Ga As, on dépose 0 5 pixn de Ga As-n+ (dopé à 1018 cm-3 puis 100 puits quantiques Ga As ( 4 nm) et A O 29 Ga O 71 As ( 30 nm) dopés dans les puits à 10 cm On réalise ainsi le détecteur Un tel détecteur répond entre 8 et 12 pim On refait croître un contact ohmique de 0,5 pm de Ga As-n+ puis on re-épitaxie 100 puits quantiques disymétriques: Ga As ( 3,2 nm), AI O 2 Ga O 8 As ( 6,7 nm) et AI O 35 Ga O 65 As ( 30 nm) Les deux niveaux E 1 et E'2 sont bien distants de 120 me V en énergie ( 10 6 pm) La distance 612 entre les baricentres des deux états est de 4,5 nm Les champs électriques applicables aux structures étant de l'ordre de + 50 k V/cm, le pic d'absorption peut être varié entre q F 612 soit sur + 22 5 me V de part et d'autre du pic à F = 0, soit de 9 pm à 13 prm La structure est terminée par un dépôt de 0 5 pm de Ga As-n+ Une première mésa est creusée par les techniques de l'art jusqu'au contact ohmique Ga As-n+ intermédiaire (jusqu'à M 1 sur la figure Sa), puis une deuxième mésa est creusée jusqu'au contact ohmique Ga As-n+ du fond (jusqu'à M 2 sur la figure Sa) Des électrodes de contats électriques tels que Au Ge Ni sont alliés aux contacts ohmiques par les techniques connues L'échantillon ainsi réalisé présente toutes les caractéristiques nécessaires à la réalisation d'un spectrophotomètre. Une variante de l'invention consisterait à utiliser un détecteur provenant d'un matériau détecteur différent, comme Hg Cd Te Le désavantage d'une telle structure serait qu'il faudrait aligner le détecteur et les MPQA par collage ou par tout moyen mécanique L'avantage proviendrait du fait que les températures de fonctionnement d'un tel tel système serait plus élevées, la détectivité de détecteurs à base de Hg Cd Te étant supérieure à ceux à base de MPQ. REVENDICATIONS 1 Spectromètre caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur d'intensité lumineuse ( 1) possédant une gamme de longueurs d'ondes de modulation qui est réglable en fonction d'un signal de commande, ce modulateur ( 1) recevant v un faisceau optique (E) et retransmettant un faisceau optique modulé dans lequel toute longueur d'onde contenue dans la gamme de longueurs d'ondes de modulation est modulée par le modulateur; un détecteur d'intensité lumineuse ( 2) fonctionnant dans une large gamme de longueurs d'ondes, recevant le faisceau optique modulée et fournissant un signal électrique en fonction de l'intensité détectée. 2 Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur ( 1) est un modulateur en matériaux semiconducteurs à puits quantiques. 3 Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur ( 2) est un détecteur en matériaux semiconducteurs à puits quantiques. 4 Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modulateur ( 1) est un modulateur à puits quantiques asymétriques possédant au moins un puits quantique à grand gap accolé à un puits quantique à petit gap. Spectromètre selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte: sur un substrat (S) un empilement de couches alternées de matériaux semiconducteurs à grand gap et de matériaux semiconducteurs à petit gap enserré entre deux couches de matériaux semiconducteurs à petit gap dopées, l'une positivement, l'autre négativement, et supportant chacune un contact métallique (CO 1, C 02), cet ensemble formant le détecteur à puits quantique ( 2): sur le détecteur ( 2), au moins un empilement de couches: de matériau semiconducteur à grand gap (SGG) de matériau semiconducteur présentant un premier petit gap de valeur donnée (SPG 1) de matériau semiconducteur présentent un deuxième petit gap (SPG 2) de valeur différente de celle du premier petit gap de matériau semiconducteur à grand gap (SGG) cet empilement de couches étant enserré entre deux couches de matériau semiconducteur à petit gap dopées, l'une positivement, l'autre négativement, recouvertes partiellement chacune d'un contact métallique (CO 2, C 03), cet ensemble formant le modulateur ( 1); une source de tension et un détecteur d'intensité connectés aux contacts ohmiques (CO 1, C 02) du détecteur ( 2); une source de tension commandable connectée aux contacts ohmiques (C 02, C 03) du modulateur ( 1). 6 Spectromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur ( 2) et le modulateur ( 1) possèdent une couche dopée et un contact ohmique (C 02) en commun. 7 Spectromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que: le substrat (S) en Ga As le matériau semiconducteur à petit gap du détecteur est du Ga As le matériau semiconducteur à grand gap du détecteur est du Alx Ga x As. 8 Spectromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour le modulateur: le matériau à grand gap est Aly Ga y As le matériau présentant le premier petit gap (SPG 1) est du Ga As; le matériau présentant le deuxième petit gap (SPG 2) est du Alx Ga x As avec x inférieur à y. 9 Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est en Hg Cd Te. 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