Brevet FR2749721A1 — publié le 19971212

COMMUTATEUR ELECTRIQUE A PHOTOCONDUCTEUR L'invention concerne un commutateur électrique à photoconducteur. La commutation électrique à photoconducteur consiste à relier deux éléments de circuit par un matériau semiconducteur, fortement isolant dans l'obscurité, et à établir la connexion en soumettant ce solide à un flux lumineux qui le rend conducteur. La conduction résulte ainsi de la photo- création de porteurs chargés électriquement (électrons et trous). La commutation électrique à photoconducteur présente un certain nombre d'avantages comparativement aux autres modes de commande (mécanique, arcs électriques et décharge dans les gaz,...). isolement galvanique de l'actuateur, - temps de réponse intrinsèque très court, image de l'impulsion laser employée, absence de fluctuations dans l'instant d'établissement du courant qui est déterminé par l'apparition de la lumière. La source optique de commande est représentée par un laser. Aujourd'hui, on réalise des impulsions ultracourtes optiques (quelques 15s) à partir de telles sources, ce qui permet d'obtenir des impulsions électriques à transitions très abruptes. Dans le cas d'impulsions électriques de grande puissance (par exemple à l'échelle du MW), le photoconducteur est soumis à des courants élevés (kA). Il est alors souhaitable de disposer d'un photoconducteur de grande section (par exemple quelques mm2). Par ailleurs, la commutation de fortes tensions (kV) implique l'emploi de structures de commutation de longueur suffisante (quelques mm) afin d'éviter d'atteindre le champ de rupture du matériau. Toutes les dimensions sont alors de l'ordre (ou supérieures) au mm et l'on souhaite créer des porteurs de charge dans l'ensemble du volume. L'absorption optique des matériaux semiconducteurs à une longueur d'onde donnée est en général soit très faible (énergie du photon inférieure à celle de l'énergie de bande interdite du matériau), soit très élevée (coefficient d'absorption) de plusieurs centaines de cm-1 dès que l'énergie du photon est plus grande que celle associée à la bande interdite). La recherche de valeurs intermédiaires du coefficient d'absorption exige un accord relativement précis entre la longueur d'onde d'excitation (laser) et la longueur d'onde seuil du semiconducteur (associée à l'énergie de bande interdite); accord qui n'est en général pas réalisé. Par ailleurs, l'absorption étant très élevée, elle se fait de manière générale en surface du matériau. L'épaisseur de matériau ionisé est alors très faible. La section du matériau perpendiculaire à la direction de commutation et donc à la circulation d'un courant à commuter est très faible. S'il s'agit de commuter un courant à très forte intensité, le matériau risque d'être détérioré dans la zone d'absorption en raison de l'échauffement dû au passage du courant. Certains semiconducteurs tel que le silicium présentent des coefficients d'absorption plus faibles aux longueurs d'ondes inférieures au seuil d'absorption (comparativement à GaAs), mais ceux-ci constituent cependant une limitation sur la commutation de forte puissance. Par ailleurs, les caractéristiques des porteurs dans ces semiconducteurs sont peu favorables à l'obtention d'une commutation efficace (faible mobilité des porteurs). L'invention a donc pour objet un commutateur électrique à photoconducteur permettant une commutation de courants élevés. Elle concerne un commutateur électrique à photoconducteur comprenant un élément en matériau photoconducteur possédant deux électrodes situées de part et d'autre d'une zone active, au moins une source lumineuse émettant au moins un faisceau lumineux éclairant la zone active, le faisceau ayant une longueur d'onde correspondant à une énergie photonique inférieure à l'énergie de bande interdite du matériau photoconducteur, l'intensité du faisceau lumineux étant telle qu'il y ait combinaison de l'énergie d'au moins deux photons dans le matériau photoconducteur. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation simplifiée du dispositif de l'invention; - les figures 2a, 2b, des schémas d'explication du fonctionnement du dispositif de l'invention; - les figures 3, 4, 5, des courbes de fonctionnement du dispositif de l'invention; - la figure 6, un exemple de réalisation plus détaillé d'un commutateur selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un exemple de réalisation simplifiée du commutateur selon l'invention. Un élément en matériau photoconducteur 1 possède, à deux extrémités opposées, deux électrodes 2, 2'. Entre ces deux électrodes, une zone 3 est éclairée par un faisceau 5 émis par une source 4. A titre d'exemple, la longueur d'onde du faisceau 5 est telle que son énergie photonique est inférieure ou égale à l'énergie de largeur de bande interdite du matériau photoconducteur 1. De plus, I'intensité optique du faisceau est telle qu'elle donne lieu à un phénomène d'absorption à deux photons ou bien, exprimé autrement, de telle façon que la somme des énergies de deux photons corresponde à l'énergie de bande interdite du matériau photoconducteur. La distance effective sur laquelle sont générés les porteurs est de type millimétrique, ce qui permet de réaliser un plasma volumique plutôt que surfacique. Selon l'invention, le phénomène d'absorption à deux photons (A2P) est employé dans cette perspective. Le mécanisme d'absorption à deux photons traduit l'excitation d'un matériau semiconducteur dans le domaine de transparence de celui-ci. L'effet de la longueur d'onde est schématisé sur les figures 2a et 2b. Ce phénomène non-linéaire apparaît pour une forte densité d'excitation lumineuse. Son fonctionnement repose sur l'existence d'un niveau virtuel de durée de vie courte. Ce mécanisme est d'autant plus efficace que l'intensité optique de commande est appliquée au matériau semiconducteur en régime impulsionnel court. On considère le matériau GaAs qui présente une énergie de bande interdite située au voisinage de 1,424 eV. Un photon issu d'un laser Nd:YAG (ou autre matrice) présente une énergie de 1,165 eV et l'absorption à deux photons correspond à 2,33 eV (figure 2a). L'emploi d'une source opérant vers 1,55 pm (énergie du photon = 0,8 eV) permet d'atteindre 1,6 eV selon le processus non-linéaire d'absorption (figure 2b). Cette source peut être représentée par un laser verre dopé Er3+ ou par une fibre laser (avec amplificateur fibré). En négligeant l'absorption par les porteurs, l'évolution de l'intensité optique dans le milieu suit la loi: dl(r,z,t) _ -c l(r,z,t)- 3 i(r,z, t)2 dz o ca représente le coefficient d'absorption linéaire en intensité et est le coefficient d'absorption à deux photons. Cette équation a pour solution: I(z) =10 ox e- z a + 130(1- e-aZ) 10 est l'intensité optique couplée au matériau semiconducteur E= o O0 = 3/2 L w2 Eo: est l'énergie contenue dans l'impulsion laser, TL, Wo représentent respectivement la largeur de l'impulsion et la dimension du rayon du faisceau laser à 1/e (cas d'une distribution gaussienne). A titre d'exemple, on considère le matériau semiconducteur GaAs massif non dopé à haute pureté. Le coefficient d'absorption à la longueur d'onde X = 1,06 pm est typiquement compris entre a = 0,6 cm-1 et 1,2 cm1. Le coefficient d'absorption à deux photons obtenu expérimentalement Jexp est de l'ordre de 20 cm/GW. Ce mode de fonctionnement ainsi décrit peut être réalisé à partir de matériaux et alliages semiconducteurs variés permettant de mettre en oeuvre cette architecture sur un large domaine spectral. Le volume excité est défini par: 25. la section effective du faisceau laser, I'inverse du coefficient d'absorption (cm-1). On considère la transmission lumineuse d'une plaquette d'arséniure de gallium d'épaisseur 500 pm. En tenant compte de l'absorption à deux photons, on calcule l'évolution de la transmission en fonction de l'énergie contenue dans l'impulsion lumineuse de commande. A la longueur d'onde 1,064 pm, en fonction de la largeur de l'impulsion on obtient les courbes de transmission présentées sur la figure 3. Le rayon de focalisation est de 50 pm et le coefficient de perte linéaire résiduel est de 1cm-1. On observe que 90 % de l'énergie est absorbée selon le processus d'absorption à deux photons pour une énergie laser de 10 pJ contenue dans une impulsion de durée 10 ps interagissant avec le composé semiconducteur. Cette efficacité montre que le mécanisme d'absorption à deux photons peut être exploité pour engendrer au sein du photoconducteur des paires électrons-trous qui contribuent à réaliser un plasma de conduction en volume. Par contre, pour atteindre le taux d'absorption de 90 % avec une impulsion de durée de 100 ps, il faut une énergie de 100 pJ. Une autre représentation de l'effet consiste à évaluer la transmission en fonction de la profondeur de pénétration de l'onde optique dans le matériau photoconducteur (AsGa par exemple). Pour cela, on a considéré différents cas d'excitation. Cas 1: Source Laser Nd:YAG 15. Energie par impulsion couplée au matériau semiconducteur lmJ Durée impulsion: 1 ns Dimension focalisation: 250 pm ce qui correspond à une intensité de: 0,287 GW/cm2 (fluence = 0,287 J/cm2) Cas 2: Source Laser Nd:YAG subnanoseconde Energie par impulsion couplée au semiconducteur: 10 pJ Durée impulsion: 100 ps * Dimension focalisation: 100 pm Intensité: 0,179 GW/cm2 (fluence = 17,95 mJ/cm2) Cas 3: Source Laser Nd:YAG picoseconde Energie par impulsion couplée au semiconducteur: 10 pJ Durée impulsion: 10 ps 30. Dimension focalisation:100 pm Intensité: 1.796 GW/cm2 (fluence = 17,95 mJ/cm2) Cas 4: Source Laser Nd:YAG picoseconde * Energie par impulsion couplée au semiconducteur: 10 pJ Durée-impulsion: 10 ps Dimension focalisation: 250 pm Intensité: 0.287 GW/cm2 (fluence = 2,87 mJ/cm2) Les figures 4 et 5 permettent d'observer l'évolution de la transmission en fonction de la profondeur de pénétration de l'impulsion laser dans le matériau photoconducteur. La figure 4 correspond au cas 1. La figure 5 représente les cas 2, 3 et 4. L'absorption associée décrit la création de porteurs et par voie de conséquence l'ensemencement en volume de porteurs à partir d'un faisceau laser dont la longueur d'onde est située dans le domaine de transparence du matériau semiconducteur. Comme on peut le voir la transmission diminue et donc l'absorption à deux photons augmente lorsque l'énergie de l'impulsion lumineuse augmente (cas 1). Mais surtout, on remarque que pour une énergie lumineuse donnée (cas 1, 2 et 3) l'absorption est meilleure avec une impulsion de courte durée et une densité d'énergie par unité de surface plus grande (cas 3). Les avantages du dispositif de l'invention sont: : minimisation des effets thermiques en surface et en volume -=> réduction contraintes mécaniques, ce qui influe sur la tenue mécanique et la dégradation de l'interface, 20. le volume excité est plus important ce qui entraîne une réduction des effets de filamentation, de l'effet Auger, un accroissement du courant pouvant être commuté, et une diminution du poids des effets d'interface (centres de recombina i son), 25. il n'est pas nécessaire d'ajuster la longueur d'onde d'excitation optilue à celle associée à la fenêtre d'absorption (bordure de bande) du semiconducteur, il est possible d'ajuster la distribution volumique des porteurs en jouant sur la focalisation au sein du matériau semiconducteur. Les niveaux d'énergie (et les intensités) requis pour mettre en oeuvre au niveau des photoconducteurs ce mécanisme sont aujourd'hui accessibles à partir de sources miniatures délivrant des impulsions laser ultracourtes. Par ailleurs, il est possible d'ajuster le coefficient d'absorption en jouant sur la focalisation du faisceau optique ou la durée de l'impulsion laser. La durée d'une impulsion sera comprise entre la sub-picoseconde et la sub-nanoseconde. Par exemple, elle sera comprise entre quelques fento-secondes ou dizaines de fento-secondes et quelques centaines de picosecondes. A titre indicatif, I'emploi d'un laser opérant à 1,06 pm délivrant 1 OpJ dans une impulsion de 1 ps permet d'obtenir un coefficient d'absorption équivalent de 10 cm-1 pour une tache d'éclairement de l'ordre de 1 mm2. L'éclairement peut se faire soit directement dans l'espacement inter- électrodes, soit par la face arrière. La limitation dans ce cas est représentée par la largeur de l'impulsion qui occupe une distance de l'ordre de 100 pm pour une durée d'éclairement de 1 ps dans GaAs. En revanche, au niveau du seuil de dommage optique, il s'avère que la fluence critique (J/cm2) varie selon une loi en At1/2 pour des durées d'impulsion comprises entre la centaine de ps et au-delà, mais varie en Av1 pour des impulsions ps ou subpicosecondes. La comparaison des cas 2 et 4 montre l'intérêt que l'on a de travailler avec des impulsions courtes en terme de fluence, pour un effet d'absorption à 2 photons similaires. Nous avons décrit ce mécanisme en considérant des structures conventionnelles d'éclateurs solides. Il est également permis d'envisager l'exploitation de cette interaction en considérant une configuration s'identifiant à un guide multimode transverse. Cette configuration est schématisée sur la figure 6. La ou les couches de matériau photoconducteur sont enserrées entre deux électrodes ou un substrat S et une électrode El. Le faisceau F est incident sur le dispositif selon le plan de la ou des couches de matériau photoconducteur. Les propriétés d'une telle structure sont représentées par: la possibilité d'emploi des techniques "Lift-off' autorisant un dépôt du matériau actif sur un substrat thermiquement adapté: silicium ou saphir (transparent à 1,06 pm), * la commande dépend de la polarisation du faisceau excitateur (règle de sélection: couplage onde électromagnétique transitions électron- trou lourd/électron-trou léger), À le confinement optique est propice à l'exploitation de l'absorption à deux photons, la longueur d'interaction peut être importante et l'emploi de structures évasées au niveau du guide permet de distribuer la densité de porteurs photoinduits, enfin, cette géométrie autorise l'empilement ("stacking") de multicommutateurs à commande optique unique. REVENDICATIONS 1. Commutateur électrique à photoconducteur comprenant un élément en matériau photoconducteur (1) possédant deux électrodes (2, 2') situées de part et d'autre d'une zone active (3), au moins une source lumineuse (4) émettant au moins un faisceau lumineux (5) éclairant la zone active (3), le faisceau (5) ayant une longueur d'onde correspondant à une énergie photonique inférieure à l'énergie de bande interdite du matériau photoconducteur (1), I'intensité du faisceau lumineux étant telle qu'il y ait combinaison de l'énergie d'au moins deux photons dans le matériau photoconducteur de façon qu'un mécanisme d'absorption à 2 photons dans le matériau photoconducteur contribue à la création de porteurs permettant de rendre conducteur le matériau photoconducteur. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau à une longueur d'onde dont la valeur de l'énergie photonique est comprise entre la moitié de l'énergie de bande interdite du matériau photoconducteur et l'énergie de bande interdite du matériau. 3. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité du faisceau lumineux (5) a une valeur permettant une absorption photonique à deux photons dans le matériau photoconducteur. 4. Commutateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (5) est transmis sous forme d'impulsions lumineuses dont la durée est de l'ordre de la sub-picoseconde à la sub-nanoseconde. 5. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la focalisation du faisceau lumineux sur le matériau photoconducteur est contrôlable. - 6. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (4) est un laser dopé néodyme permettant une émission d'un faisceau lumineux à une longueur d'onde de 1,064 ou 1,32 pm. 7. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau photoconducteur est du GaAs. 8. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément en matériau photoconducteur (1) est de forme plane et en ce que la zone active éclairée par le faisceau lumineux est situé sur une face principale plane de l'élément. 9. Commutateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément en matériau photoconducteur (1) est de forme plane et en ce qu'il est éclairé par l'une de ces tranches par le faisceau lumineux (5). 10. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau photoconducteur est en AsGa, la source laser est un laser YAG dopé néodyme. 11. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion lumineuse est de l'ordre de 10 ps ou inférieure à 10 ps et que la fluence optique incidente est supérieure à 1,5 mJ/cm2.