Brevet FR2827709A1 — publié le 20030124

Le domaine de l'invention est celui des détecteurs à puits quantiques, particulièrement intéressants pour détecter des ondes électromagnétiques dans le domaine infrarouge. De manière générale les détecteurs à puits quantiques utilisent les transitions intersousbandes dans les puits quantiques comme transition optique pour exciter le matériau détecteur (B. Levine, J. of Appl. Phys.Vol. 74, issue 8, page R1-R81 (15 octobre 1993)) (S. Gunapala, Physics World, page 4 (décembre 94)). Les détecteurs photoconducteurs sont maintenant largement développés. Ils sont au coeur de certaines caméras thermiques de demain (vision nocturne, par temps de brouillard...). Le principe de fonctionnement d'un détecteur photoconducteur à puits quantiques est donné sur la Figure 1. On considère par exemple un puits quantique semi-conducteur GaAs/A 1 GaAs dopé n, dont on a représenté la bande de conduction BC. Un électron situé sur le niveau 1 est promu sur le niveau 2 par l'absorption d'un photon hv. L'électron photo excité peut sortir du puits sous l'action d'un champ électrique. L'électron échappé du puits génère le photo-courant. Les longueurs d'onde typiques correspondant à ces transitions optiques se situent dans l'infrarouge moyen, entre 3 et 15 microns. Une première limitation de ces détecteurs photoconducteurs à puits quantiques réside dans les temps courts de recombinaison des électrons excités (A. Yariv, Quantum Electronics , John Wiley & Sons). Il est connu de l'homme de l'art que ce temps détermine le bruit de générationrecombinaision des détecteurs. Dans le régime où le détecteur est limité par le bruit de scène (c'est-à-dire à une suffisamment basse température), cela ne constitue pas une limitation car ce bruit est négligeable. En revanche, à plus haute température, ceci limite les performances des détecteurs photoconducteurs à puits quantiques. Une autre limitation de ces détecteurs photoconducteurs à puits quantiques constitue les courants d'obscurité importants qui traversent les détecteurs photoconducteurs. Ces courants sont de plus en plus importants quand-la température augmente, et saturent les capacités des circuits de lecture : ceci impose l'utilisation de temps d'intégration limités. Ces temps d'intégration courts diminuent les performances des caméras utilisant les photoconducteurs. Dans un détecteur photovoltaïque utilisée sans polarisation, il n'existe pas de courant d'obscurité. De plus, des temps de vie plus longs ont été obtenus dans des structures photovoltaïques, dans lesquelles les électrons excités sont envoyés vers un niveau métastable , le retour à l'équilibre vers le niveau fondamental étant très lent grâce à une barrière de potentiel (E. Rosencher et al., Appl. Phys. Lett. 56,1822 (1990)). Dans ces structures, les électrons restent globalement au niveau du puits quantique et ne circulent pas. Comme l'illustre la Figure 2, qui met en évidence le confinement des électrons dans le puits. Dans une telle structure photovoltaïque, un électron passe du niveau fondamental 1 au premier niveau excité 2 quand un photon est absorbé. Ceci génère un déplacement de charge, mais l'électron redescend ensuite sur le niveau fondamental et n'a pas traversé la structure : on n'a pas de photoconduction comme dans un détecteur à puits quantique classique, et globalement aucune amélioration des performances n'a été obtenue par ce mécanisme d'amplification (B. Vinter, IEEE J. Quant. Elec., 30,115 (1994)) néanmoins ce type de détecteur permet de minimiser les phénomènes importants de bruit inhérent au détecteur photoconducteur. Dans ce contexte, l'invention propose un nouveau concept de détecteur à puits quantiques de type photovoltaïque qui délivre un photocourant, à la différence des réalisations photovoltaïques précédentes. L'amplification de ce photocourant est alors plus facile pour la lecture du signal. Dans ces détecteurs photovoltaïques selon l'invention, en outre, les temps de vie obtenus dans les structures de l'invention sont longs et donc les bruits de génération-recombinaison, faibles. Ceci résulte en une bonne détectivité comme cela sera explicité ultérieurement. La structure peut être utilisée sans polarisation, donc sans courant d'obscurité, avec une possibilité d'intégration du signal très grande, à la différence des réalisations photoconductrices précédentes (détecteurs photoconducteurs à puits quantiques standards). Ces deux avantages, indépendants, permettent d'augmenter la température de fonctionnement des détecteurs, à performance égale, ou simplement d'améliorer les performances, à une température donnée. Plus précisément l'invention a pour objet un détecteur photovoltaïque à puits quantiques fonctionnant à au moins une longueur d'onde, comprenant un empilement de couches semi-conductrices, inséré entre des électrodes de connexion, et un dispositif de détection de courant connecté aux dites électrodes caractérisé en ce que l'empilement de couches semi-conductrices comprend une série de M séquences de N puits quantiques couplés entre eux, chaque séquence de N puits comportant au moins : - un premier puits comprenant au moins un premier niveau discret d'énergie et un dernier niveau discret d'énergie supérieur audit premier niveau discret d'énergie, pour que l'absorption d'un photon à la longueur d'onde, de détection, génère le passage d'un électron du premier niveau d'énergie vers le second niveau d'énergie ; - i puits successifs, comprenant chacun au moins un ième niveau discret d'énergie tel que le ième niveau d'énergie soit supérieur au i + ième niveau d'énergie, avec i > 2 et chaque ième niveau discret d'énergie étant compris entre le premier niveau discret d'énergie et le dernier niveau discret d'énergie de manière à générer le passage électrons d'une séquence de puits quantiques, à la séquence suivante adjacente. Préférentiellement les couples de matériaux avec lesquels sont réalisés les structures de puits quantiques sont de type GaAs/AIGaAs, InGaAs/AllnAs, GaSb/AISb, InGaAs/AIGaAs. Selon une variante de l'invention, le détecteur photovoltaïque peut comprendre des structures réseaux afin d'augmenter son rendement quantique, situés au-dessus d'une couche de contact constitutive d'une électrode de connexion et transparente à la longueur d'onde de fonctionnement du détecteur, les structures réseaux utilisées étant par ailleurs connues de l'homme de l'art. Préférentiellement les couches constitutives de l'empilement ont des épaisseurs comprises entre environ un nanomètre et une dizaine de nanomètres, alors que les couches de contact ont des épaisseurs voisines du micron. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un détecteur photoconducteur à puits quantique de l'art antérieur ; - la Figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'art antérieur ; - les Figures 3a et 3b illustrent respectivement deux puits quantiques adjacents et deux puits quantiques couplés : - la Figure 4 schématise une séquence constituée de 4 puits quantiques couplés entre eux ; - la Figure 5 illustre un premier exemple de structure quantique comprise dans un détecteur selon l'invention ; - la Figure 6 illustre un second exemple de structure quantique comprise dans un détecteur selon l'invention. De manière générale le détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'invention comprend une série de séquences de puits quantiques couplés entre eux. Nous allons expliciter ci-après la notion de couplage entre puits quantiques. Les puits quantiques sont obtenus par empilement de couches de matériaux semi-conducteurs d'épaisseurs telles qu'elles mettent la création de niveaux discrets d'énergie dans la bande de conduction. La Figure 3a illustre les niveaux discrets d'énergie de deux puits quantiques adjacents avec la représentation des fonctions d'onde dont le carré décrit la densité de probabilité de présence d'un électron sur lesdits états. Selon cet exemple l'état excite 1 > est aligné avec l'état excité 12 > . En diminuant l'épaisseur de la barrière qui sépare les deux puits, les états 11 > ef 12 > sont perturbés par la proximité du voisin. La résolution de l'équation de Schrôdinger de la structure globale avec les deux puits couplés fait apparaître deux états : - un état liant IL > =-= > + 12 > ) V2'' - un état antiliant A > ==-=r1 > -12 > ) V2'' comme illustré en Figure 3b. Dans la structure de l'invention, une série de séquences de N puits couplés est utilisée. La Figure 4 illustre à cet effet, un schéma d'une séquence à 4 puits couplés de telle manière qu'il apparaisse des niveaux discrets d'énergie sur lesquels sont représentés les fonctions d'onde. Le premier puits P1 de la séquence, comprend un premier niveau discret d'énergie Ep et un second niveau discret d'énergie plus élevée Ed. Lorsque le matériau de ce puits est dopé, la présence d'électrons sur le niveau Ep, favorise le passage d'électrons sur le niveau Ed lors de l'absorption de photons hv correspond à l'énergie photonique détectée par le détecteur. Les trois puits adjacents couplés entre eux avec le premier puits présentent respectivement les niveaux d'énergie E2 pour le puits P2, Es pour le puits Ps et E4 pour le puits E4. Les niveaux Ed et E2 étant mieux couplés que les niveaux Ed et Ep, les électrons présents sur le niveau Ed ont préférentiellement tendance à passer sur le niveau E2 plutôt que sur le niveau Ep. Typiquement si le temps de transition entre les niveaux Ed et E2 est de 3 picosecondes, le temps de transition entre les niveaux Ed et E2 peut être inférieur à la picoseconde. Ceci signifie qu'on aura plus de 3 fois plus d'électrons impliqués dans la transition Ed- > Es que dans la transition Ed -7 Ep. De même les électrons alors présents sur le niveau E2 auront tendance préférentiellement à passer sur le niveau Es du puits Ps, puis sur le niveau E4 du puits P 4. Les électrons présents sur le niveau E4 puis Ep du puits de la séquence suivante sont à nouveau promus sur le niveau Ed dudit premier puits de la séquence adjacente. On crée ainsi un photo-courant au sein de la séquence, sans avoir besoin d'appliquer une tension à la structure. Selon l'invention on parvient à créer un photo-courant qui traverse l'ensemble de la structure, le mouvement électronique s'effectuant à travers des cascades de niveaux quantiques. Contrairement aux détecteurs photovoltaïques de l'art connu, un courant électronique se produit à travers l'ensemble de la structure et non simplement à l'intérieur d'une cellule de puits quantiques. La détectivité de la structure selon l'invention est donnée par : où #(#) est le rendement quantique à la longueur d'onde À, et dans cette dernière expression, N est le nombre de périodes, 1 : le temps de vie entre les deux niveaux 1 et 2 participant à l'absorption des photons, Ed et EF les énergies du niveau haut de la transition optique et le niveau de Fermi de la population électronique sur le niveau bas, respectivement (le niveau de Fermi correspondant au niveau supérieur pour le continuum de niveaux d'énergie situés autour de niveau Ep lorsque le matériau est dopé. Avec T=3ps, N=40, m*=0.067*9. 1. 10-31 (matériau GaAs), un dopage de 2. 1011cm-2 et une longueur d'onde de travail de 8. 6 um, en reprenant des chiffres standards pour l'absorption (#) (X) =0.005) ; on arrive à une détectivité de 5.5 1010 cm. HzW' à une température de 80 K, contre une détectivité de 4. 1010 cm. HzW dans le cas d'un détecteur à puits quantiques photoconducteur standard. Ces chiffres sont obtenus pour la structure de l'exemple 2 décrite ci-après. Les niveaux d'énergie participants à l'absorption sont optimisés pour offrir un long temps de vie, sans dégrader trop l'absorption. Les détecteurs selon l'invention étant des détecteurs photovoltaïques, ils peuvent fonctionner sans polarisation et ne présentent donc pas de courant d'obscurité. La supériorité de l'invention par rapport aux détecteurs à puits quantiques photoconducteurs vient du fait que le courant d'obscurité de ces derniers limite les performances. Dans un détecteur à puits quantiques photoconducteur standard (à une longueur d'onde de 8.6 , um), le temps d'intégration possible est limité par la charge totale que la capacité du circuit de lecture est capable d'intégrer. Dans les conditions standard, ce temps est de 5 ms à une température de 75 K, et de 2 ms à 80 K. Dans le détecteur photovoltaïque selon l'invention, en l'absence de courant d'obscurité, la possibilité d'intégration sur un temps de trame (20 ms) fait gagner un facteur 10 à 80 K, et plus encore à plus haute température. Les détecteurs photovoltaïques selon l'invention sont donc nettement supérieurs aux détecteurs à puits quantiques photoconducteurs pour des températures de fonctionnement plus élevées qu'habituellement (en particulier au dessus de 100 K pour un exemple de longueur d'onde de fonctionnement de 8. 6 um). De bonnes performances pour la bande 3-5 um sont envisageables à des températures proches de l'ambiante. Nous allons décrire ci-après plus en détails des exemples de détecteurs photovoltaïques selon l'invention. Exemple 1 Il s'agit d'un détecteur photovoltaïque, optimisé pour fonctionner dans la bande 6 um. Sur un substrat en GaAs on réalise l'empilement de couches suivantes : - une première couche de contact inférieure, jouant le rôle d'électrode constituée de GaAs dopé à 1018 cm-3 puis une série de 15 séquences comportant la structure multipuits suivante : Al 40GaO. 60As non dopé épaisseur 1.69 nm ; GaAs non dopé épaisseur 3,39 nm ; Alo 40GaO 60As non dopé épaisseur 1,69 nm ; GaAs non dopé épaisseur 2,54 nm ; Alo 40GaO. 60As non dopé épaisseur 1,69 nm ; GaAs non dopé épaisseur 1,69 nm ; AIO. 4oGao roas non dopé épaisseur 2,83 nm ; GaAs avec un dopage surfacique de 3. 1011cm-L épaisseur 5. 08 nm ; (fin de la période à répéter 15 fois de manière à définir 15 fois la séquence de puits P1 à P4) ; puis une couche en A ! o. 4oGaoeoAs non dopé d'épaisseur 2nm. Enfin une couche d'1 um d'épaisseur de GaAs dopé 1018 cm-3, constituant l'électrode supérieure. La Figure 5 fournit les énergies potentielles en eV en fonction des positions des puits (en Angström) et montre une séquence et le début d'une séquence adjacente et met en évidence les fonctions d'onde de l'ensemble des puits constitutifs de la séquence. Il apparaît nettement cette cascade descendante de fonctions d'onde de gauche à droite, illustrant le photocourant induit. Exemple 2 Il s'agit d'un détecteur photo voltaïque, optimisé pour fonctionner dans la bande 8-12 um. Sur un substrat en GaAs, on réalise de manière identique à l'exemple 1, une couche de contact en GaAs dopé à 1018cm-3, d'épaisseur 1um. Puis on réalise une série de 40 séquences, chaque séquence comportant la structure multipuits suivante : Alo. 34Gao. 66As non dopé épaisseur 3.39 nm ; GaAs non dopé épaisseur 5.93 nm ; al0.34Ga0.66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 5.08 nm ; Al0 34Ga0.66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 4.52 nm ; Al0.34Ga0.66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 3.95 nm ; Alo 34GaO 66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 3.39 nm ; Alo 34GaO 66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 2.83 nm ; Alo 34Gao 66As non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs avec un dopage surfacique de 2. 10@cm-2 épaisseur 7. 63 nm ; (fin de la période à répéter 40 fois de manière à définir 40 fois la séquence de puits P1 à P7) ; puis une couche en Alo 34GaO 66As non dopé de 2 nm d'épaisseur. Enfin une couche en A ! o. oeGao. 94As dopé 1018cm-3 d'épaisseur 1 m, constitutive de la couche de contact supérieur. On a mis un léger pourcentage d'Aluminium dans cette couche de contact afin que l'énergie en bande de conduction des porteurs dans ce contact corresponde à l'énergie du niveau fondamental du puits quantique absorbant. De cette manière, les électrons peuvent très facilement passer du contact dans le premier puits quantique absorbant de la série, sans résistance série additionnelle. On peut avantageusement procéder au dépôt ultime d'une couche de fin de croissance en GaAs dopé 1 018cm-3 d'épaisseur 5 nm. Comme on a mis une couche de contact en Alo. 06Gao94As, cette couche de GaAs permet de terminer la croissance sur un matériau stable. Le détail de la structure de bande est illustré en Figure 6. Il apparaît là encore très nettement, la cascade descendante de fonctions d'onde, au sein d'une même séquence, illustrant le photo-courant. REVENDICATIONS 1. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques fonctionnant à au moins une longueur d'onde (), comprenant un empilement de couches semi-conductrices, inséré entre des électrodes de connexion, et un dispositif de détection de courant connecté aux dites électrodes caractérisé en ce que l'empilement de couches semi-conductrices comprend une série de M séquences de N puits quantiques couplés entre eux, chaque séquence de N puits comportant au moins : - un premier puits (P1) comprenant au moins un premier niveau discret d'énergie (Ep) et un dernier niveau discret d'énergie (Ed) supérieur audit premier niveau discret d'énergie, pour que l'absorption d'un photon à la longueur d'onde (k), génère le passage d'un électron du premier niveau d'énergie (E1) vers le second niveau d'énergie (E2) ; - i puits successifs (P,), comprenant chacun au moins un jème niveau discret d'énergie (Ej) tel que le ième niveau d'énergie (El) soit supérieur au i + ième niveau d'énergie (E, +,), avec i > 2 et chaque ième niveau discret d'énergie étant compris entre le premier niveau discret d'énergie (Ep) et le dernier niveau discret d'énergie (Ed) de manière à générer le passage électrons d'une séquence de puits quantiques, à la séquence suivante adjacente. 2. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque séquence de N puits comporte au moins un puits dopé en électrons. 3. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes de connexion sont des couches semi-conductrices fortement dopées. 4. Détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les puits quantiques sont définis par l'empilement de couple de couches de matériaux de type GaAs/AIGaAs, InGaAs/AllnAs/AllnAs, GaSb/AISb, InGaAs/AIGaAs. 5. Détecteur photovoltaïque à puits quantique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les épaisseurs des couches de matériaux sont comprises entre environ 1 nanomètre et une dizaine de nanomètres. 6. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que les épaisseurs des électrodes de connexion sont de l'ordre du micron. 7. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une structure réseau au-dessus d'une électrode de connexion et de l'empilement de couches.