# PRINCIPE D'UN ANALYSEUR DE SPECTRE OPTIQUE UTILISANT LES COUCHES MINCES PULVERSEES

H. MURRAY

Laboratoire d'électronique et d'automatique, U.E.R. des Sciences et Techniques, B.P. 4006-76077
LE HAVRE, Cedex, France

*(Received May 24, 1978)*

Cette étude décrit le principe d'un analyseur de spectre optique entre 2000 Å et 7000 Å, utilisant les propriétés spécifiques de l'effet photovoltaïque apparaissant dans les structures sandwich de faible épaisseur. La mesure des longueurs d'onde est liée à la détermination du point de renversement de la tension photovoltaïque en circuit ouvert; le courant de court-circuit étant par ailleurs proportionnel au flux lumineux. La précision obtenue sur la mesure des' longueurs d'onde dépasse 0,5% si le flux lumineux est supérieur au seuil minimum de 10 µW/cm².

Specific properties of photovoltaïc effects in thin sandwich films have been used to describe a spectral analyser for optical radiations in the range 2000 Å to 7000 Å. In such structures, we have shown that the photovoltaïc current has a polarity depending on the wavelength of incident radiation. Further studies relating to conduction and photoconduction phenomena allow us to attribute the reversal effect to a photoexcitation of ionised traps (Poole Frenkel effect) or a photoexcitation from valence to conduction band of the photoconductor (Interband transitions). As these two photoeffects present dimensional dependence, the reversal wavelength $\lambda_0$ is thickness dependent. Multilayer dielectric sandwich films may be used as spectral analysers after specific calibration of the bias voltage, with an accuracy of 0.5% when the intensity of light is greater than 10 µw/cm².

We have obtained some applications of such detectors in the U.V. region, when the dielectric is made from sputtered zinc sulphide and in the visible region with cadmium sulphide. The specific properties of sputtering processes are particularly adapted to the introduction of such analysers in microelectronics devices.

## 1. INTRODUCTION

Une radiation lumineuse est caractérisée par deux grandeurs fondamentales: la longueur d'onde et l'intensité du rayonnement. Ces deux grandeurs représentent au niveau quantique l'énergie élémentaire du photon *hv* et le nombre de photons émis dans cette bande d'énergie.

La mesure des intensités lumineuses a fait l'objet de nombreuses réalisations utilisant l'émission sous vide (cellule photoélectrique, photomultiplicateur)¹ ou l'émission d'électrons dans la bande de conduction d'un isolant ou semi-conducteur (effet photorésistif, effet photovoltaïque)². La mesure des longueurs d'onde est en général obtenue à partir d'un appareillage optique préalablement étalonné utilisant la dispersion (prisme) ou la diffraction (réseaux)³.

L'analyseur de spectre que nous décrivons constitue une des applications pratiques que nous obtenons à partir des phénomènes de renversement de l'effet photovoltaïque dans les structures Métal-photoconducteur-Métal⁴. Le principe de la mesure repose sur la détermination du point de renversement d'une tension continue, résultant de l'existence de mouvements opposés de porteurs photoexcités. Les

variations dimensionnelles des courants induits par ces déplacements entraînent une variation de la longueur d'onde de renversement en fonction de l'épaisseur du diélectrique dépose⁵. Dans ces conditions, il devient possible d'obtenir la mesure des longueurs d'onde à partir d'une mesure de tension induite par un phénomène photovoltaïque.

## 2. METHODES EXPERIMENTALES

### 2.1. Préparation des Structures

Les méthodes de pulvérisation utilisées pour le dépôt des structures sandwich ont été précédemment décrites⁵. Nous rappellerons compte tenu des applications pratiques présentes, que la méthode de dépôt choisie permet l'obtention de couches diélectriques dont l'épaisseur est directement proportionnelle au temps de pulvérisation. Elle se situe, dans nos expériences entre 150 Å et 600 Å.

### 2.2. Etude Expérimentale

Après stabilisation complète des structures sous l'action combinée d'un champ électrique et de variations cycliques de température, celles-ci sont
<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>FIGURE 1 (A) Principe du schéma d'étude expérimentale (B) Caractéristiques I = f(v)</figcaption></figure>

(1) courant d'obscurité

(2) courant photoélectrique de transitions interbandes

(3) courant photoélectrique Poole-Frenkel

placées dans une enceinte de mesure (pression
$10^{-4}$ Torr). Elles peuvent être éclairées par une
radiation monochromatique obtenue à partir d'un
monochromateur à prisme.

Les mesures de longueur d'onde, nécessaires à un étalonnage précis ont pu être effectuées séparément à l'aide d'un monochromateur Bausch et Lomb à double réseau.

La tension photovoltaïque en circuit ouvert et le courant de court-circuit sont mesurés soit sur la courbe I = f(v) sous illumination, soit directement avec un électromètre (Tekelec 981) et un nanoampèremètre (Metrix VX 302) (Figure 1).

3. RESULTATS EXPERIMENTAUX –
INTERPRETATION

Les structures Al/ZnS ou CdS/Au obtenues par
pulvérisation cathodique présentent des effets
photovoltaïquesº dans la gamme de rayonnement

comprise entre 2.000 et 7.000 Å., c'est-à-dire pour
des radiations entourant la bande d'énergie interdite
pour chacun des deux matériaux.

Les caractéristiques Tension en circuit ouvert et courant de court-circuit étudiées en fonction de l'énergie des photons incidents font apparaître deux effets photovoltaïques de polarité différentes (Figure 2).

L'étude complémentaire de la photoconduction⁴ a montré l'existence d'une double photoexcitation:

a) la photoexcitation interbande apparaissant lorsque l'énergie des photons *hv* est supérieure à la largeur de bande du photoconducteur⁴ ou légèrement inférieure à celle-ci pour les transitions interbandes anormales⁷. La relation courant-Tension s'écrit dans ce cas.

$$
I_{TI} = (G_{ph} + G_{0})(V - V_{pho})
$$

Expression dans laquelle G<sub>ph</sub> et G<sub>0</sub> représentent
respectivement la photoconductance et la
conductance d'obscurité, et V<sub>pho</sub>, la tension
photovoltaïque en circuit ouvert.

b) la photoexcitation Poole-Frenkel⁴,⁸ qui apparaît pour toutes les longueurs d'onde, mais qui se produit néanmoins avec un plus faible rendement. Elle est donc entièrement masquée par les transitions interbandes dans le domaine des fortes énergies. Son étude, effectuée lorsque l'énergie des photons est inférieure à la largeur de bande a conduit à l'expression courant-tension suivante:

$$
I_{PF} = \left\{ I_0 \left[ 1 + K(F, \nu) \right] \exp \frac{\beta}{kT} \times \left( V - \frac{V'_{pho}}{2} \right)^{1/2} \right\} + \frac{I'_{pho}}{2}
$$

avec

$$
\beta = 2 \left[ \frac{e^3}{4\pi\epsilon_0\epsilon_r d} \right]^{1/2}
$$

et d = épaisseur du photoconducteur.

Lorsque les structures ne sont soumises à aucune
tension extérieure, le courant total qui circule entre
les deux électrodes provient des contributions
respectives du courant de transitions interbandes et
du courant de photoexcitation Poole-Frenkel.

Ce courant est donné par :

$$
I = I_{TI} + I_{PF}
$$

$$
I = \left\{ (G_{ph} + G_{0})(V - V_{pho}) \right\} + \left\{ I_{0} \left[ 1 + K(F, \nu) \right] \times \exp \frac{\beta}{kT} \left( V - \frac{V'_{pho}}{2} \right)^{1/2} \right\} + \frac{I'_{pho}}{2}
$$
expression dans laquelle $V_{pho}$ et $V'_{pho}$ représentent les tensions photovoltaïques induites par les deux effets de photoexcitation.

Lorsque la tension appliquée est faible (V inférieure à 0,2 V dans cette étude) nous pouvons admettre, comme plusieurs auteurs l'ont montre⁹,¹⁰ à partir des interprétations théoriques et des résultats expérimentaux, que l'émission Poole-Frenkel conduit à une expression courant-tension linéaire qui devient, en appelant $G_0$ la conductance d'obscurité.

$$I_{PF} = G_0(1 + K) \left( V - \frac{V'_{pho}}{2} \right) + \frac{I'_{pho}}{2}$$

Si on se reporte à l'expression de $I'_{pho}$ obtenue dans une étude précédente⁴

$$I'_{pho} = 2I_0(1 + K)\exp\frac{\beta}{kT} - \frac{V'_{pho}}{2}^{1/2}$$

on obtient, pour les faibles valeurs de $V'_{pho}$:

$$I'_{pho} = 2G_0(1 + K) \left( -\frac{V_{pho}}{2} \right)$$

soit:

$$I_{PF} = G_0(1 + K)(V - V'_{pho})$$

d'ou l'on déduit:

$$I = (G_{ph} + G_0)(V - V_{pho}) + G_0(1 + K)(V - V'_{pho})$$

Le courant de court-circuit, $I_{cc}$, est obtenu pour $V = 0$ soit:

$$I_{cc} = (G_{ph} + G_0)(-V_{pho}) + G_0(1 + K)(-V'_{pho})$$

La tension en circuit ouvert est obtenue lorsque $I = 0$

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIGURE 2 (A) Variation de la tension photovoltaïque en fonction de la longueur d'onde pour différentes épaisseurs du diélectrique. (B) Variation de la longueur d'onde de renversement $\lambda_o$ avec l'épaisseur du diélectrique.</figcaption></figure>
soit:

$$0 = (G_{ph} + G_{0})(V_{co} - V_{pho}) + G_{0}(1 + K)(V_{co} - V'_{pho})$$

ce qui donne:

$$V_{co} = \frac{(G_{ph} + G_{0})V_{pho} + G_{0}(1 + K)(V'_{pho})}{(G_{ph} + G_{0}) + G_{0}(1 + K)} = \frac{-I_{cc}}{(G_{ph} + G_{0}) + G_{0}(1 + K)}$$

Ainsi, la relation entre le courant de court-circuit et la tension photovoltaïque en circuit ouvert indiquent que ces deux grandeurs s'annulent pour une longueur d'onde $\lambda_0$ telle que, pour cette valeur on ait

$$(G_{ph} + G_{0})(-V_{pho}) = -G_{0}(1 + K)(-V'_{pho})$$

c'est-à-dire lorsque les courants $I_{TI}$ et $I_{PF}$ sont opposés. La proportionalité entre ces courants et l'intensité lumineuse entraînent par ailleurs l'indépendance de $\lambda_0$ avec le nombre de photons incidents. La longueur de renversement $\lambda_0$, caractérise ainsi la structure considérée dès lors que

les processus de stabilisation ont permis d'atteindre une valeur stable de $G_0$.

### 4. MESURES DES LONGUEURS D'ONDE

Les variations dimensionnelles de la photoexcitation Poole-Frenkel et de la photoexcitation de transitions interbandes entraînent la dépendance de $\lambda_0$ avec l'épaisseur du diélectrique⁵.

La valeur de $\lambda_0$ est invariante pour une épaisseur déterminée dès lors que celle-ci n'est soumise qu'à des traitements thermiques et électriques situées (dans les limites) du cycle de stabilisation.

La Figure 2 représente ainsi les variations de $\lambda_0$ en fonction de l'épaisseur pour les structures Al/ZnS/Au.

Nous remarquons toutefois, que cette correspondance entre une épaisseur et une longueur d'onde ne peut permettre de concevoir un dispositif de mesure continue. Dans ces conditions, nous avons été amenés à élaborer un système de mesure en remarquant que le point de renversement des effets photovoltaïques se déplace si on applique une tension sur la structure stabilisée. Le réseau de courbes représenté sur la

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIGURE 3 Variations du courant $I$ traversant une structure Al/ZnS/Au en fonction de la longueur d'onde $\lambda$ pour différentes tensions appliquées (diélectrique d'épaisseur 280 Å).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIGURE 4 Variation de la longueur d'onde de renversement du courant photoélectrique avec la tension appliquée pour trois structures d'épaisseur (1) 180 Å (2) 280 Å (3) 450 Å.</figcaption></figure>

Figure 3 donne les relevés de $I_{ph}$ en fonction de la longueur d'onde pour différentes tensions appliquées.

Dès lors que le point de renversement $\lambda'_0$ est indépendant du flux lumineux, nous obtenons ainsi (Figure 4) pour une structure, la correspondance entre le point de renversement et la tension de polarisation. La Figure 3 indique par ailleurs les tensions extrêmes positives et négative pour lesquelles il n'existe dans le spectre lumineux qu'un seul point de renversement.

La structure dont les caractéristiques sont représentées sur la Figure 3, permet d'effectuer des mesures de longueur d'onde entre $\lambda_0 - 300$ Å et $\lambda_0 + 300$ Å. Cette structure se comporte donc en analyseur spectral dans un domaine de 600 Å. Un nombre limité de composants d'épaisseurs différentes permet de réaliser un dispositif de mesure d'une longueur d'onde lorsque celle-ci est comprise dans un domaine du spectre optique comprenant au moins un point de renversement de la tension photovoltaïque.

La Figure 4 représente un dispositif de mesure comprenant trois structures qui recouvrent le domaine 2900 Å to 3900 Å. La limitation supérieure du domaine mesurable est liée avant tout à la largeur de la bande interdite du diélectrique. Ainsi, bien qu'il serait possible avec le sulfure de zinc d'effectuer des mesures jusqu'à 5000 Å il est de beaucoup préférable, pour ce domaine d'énergie d'utiliser un

matériau de bande interdite plus faible. Le sulfure de Cadmium permet d'obtenir des résultats expérimentaux conduisant aux mêmes effets photovoltaïques que le sulfure de zinc¹¹. Sa largeur de bande (2,1 eV) déplace le spectre d'utilisation défini précédemment entre 4000 Å et 6500 Å⁶.

## 5. MESURES DES INTENSITES LUMINEUSES

Nous avons déjà précise¹² comment la dépendance linéaire du courant photovoltaïque permettait l'utilisation des structures sandwich pulvérisées en photodétecteur après un étalonnage préalable.

Ainsi, la valeur du flux lumineux s'obtient en mesurant la dérivée du courant de photoconduction autour du point de renversement. En effet, si nous reportons aux équations du paragraphe précédent, nous remarquons que le point de renversement est obtenu par l'égalité de deux courants opposés dans le diélectrique. Ceux-ci étant directement proportionnels à l'intensité lumineuse, tant pour les transitions interbande que pour la photoexcitation Poole-Frenkel (Figure 5), la tangente $(dI/d\lambda)_{\lambda=\lambda_0}$ est une fonction linéaire de l'intensité lumineuse, si on pose: $I = F \cdot S(\lambda)$, en appelant $S(\lambda)$ la sensibilité spectrale de la structure.

Le principe de cette mesure reproduit sur la
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIGURE 5 Linéarité des courants de photoconduction de transitions interbandes (A) et d'excitation Poole-Frenkel (B) avec le flux lumineux.</figcaption></figure>

Figure 6 donne ainsi l'étalonnage d'une structure en longueur d'onde et en sensibilité lumineuse. Il est à remarquer que la mesure absolue d'une intensité lumineuse nécessite la connaissance de la longueur d'onde, et dans ce cas il est donc nécessaire d'effectuer d'abord la mesure de $\lambda$ avant celle de $F$.

## 6. DISCUSSION: LIMITES ET PRECISION DE LA MESURE

Dès lors que la mesure de longueur d'onde est obtenue par une méthode de zéro, la précision de la mesure dépend pour une large part de l'appareillage utilisé, au-delà du seuil minimum d'intensité lumineuse.

La limite de la mesure est liée par contre, à la détermination d'une tension, qui doit être indépendante du flux lumineux. Celle-ci est

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIGURE 6 Variation de la tension de polarisation $V_{ph}$ correspond au renversement du courant photoélectrique et de la sensibilité spectrale en fonction de la longueur d'onde (épaisseur 280 Å).</figcaption></figure>

donnée par:

$$[V_{co}] = \frac{I_{cc}}{(G_{ph} + G_{0}) + G_{0}(1 + K)}$$

Les grandeurs $I_{cc}$, $G_{ph}$ et $K$ sont proportionnelles à l'intensité lumineuse⁴. L'expression de $V_{co}$ en fonction de l'intensité lumineuse $F$ s'écrit en posant $I_{cc} = aF$ et $G_{ph} + G_{0}K = bF$

$$[V_{co}] = \frac{aF}{bF + 2G_{0}}$$

Si l'indépendance de $V_{co}$ avec $F$ est toujours réalisée lorsque $I_{cc} = 0$, l'expression précédente montre que $V_{co}$ est indépendant de $F$ à condition que $bF = (G_{ph} + G_{0}K) \ge 2G_{0}$.

Cette condition est réalisée pour des valeurs du flux lumineux supérieures à 10 µw/cm² et d'autre part, l'approximation est d'autant meilleure que la longueur d'onde $\lambda$ est proche de $\lambda_{0}$; c'est-à-dire que la mesure sera d'autant plus précise que le nombre de composants sera élevé. Cette condition implique le
compromis nécessaire entre le nombre de structures
dans un domaine de longueur d'onde et la précision
recherchée.

A titre d'exemple, le relevé représenté sur la
Figure 4 permet d'atteindre avec un ampèremètre de
sensibilité 10⁻¹¹ Å, une incertitude inférieure à 5 Å.

7. CONCLUSION

Nous avons déjà souligné comment les structures
pulvérisées permettaient d'obtenir des détecteurs
photoélectriques utilisables en microélectronique¹¹,¹².
L'étude que nous avons menée dans le domaine de la
mesure des longueurs d'onde montre qu'il est ainsi
possible de miniaturiser un analyseur spectral en
utilisant les propriétés spécifiques des couches
pulvérisées. La Figure 7 montre une réalisation
pratique d'un détecteur utilisant le sulfure de zinc
entre les longueurs d'onde 2000 Å et 4500 Å.
Celui-ci est composé de 5 capacités Al/ZnS/Au
utilisant une électrode de base commune. Les
couches de sulfure de zinc sont obtenues en
choisissant des temps de pulvérisation variant de
1 à 5. La contre électrode d'or est obtenue par
évaporation thermique. Il est à noter que la
précision des mesures peut être augmentée si on
multiplie le nombre de cellules élémentaires dans la
gamme de longueur d'onde étudiée.

De tels dispositifs, bien que ne pouvant atteindre
les performances de sensibilité spectrale des réseaux
plans, constituent par contre un appareillage simple
dont l'absence d'instrumentation optique associée,
en permettent une utilisation très aisée par une
mesure rapide des grandeurs fondamentales des
radiations lumineuses visibles et ultra-violettes.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIGURE 7 Représentation d'une structure multicouche pulvérisée.</figcaption></figure>

REFERENCES

1. G. Gorlich, *6th International Symposium on Photon detectors* (IMEKO) Siofok, Hungary, Septembre 16–19 (1974).

2. T. S. Moss, G. J. Burrell, B. Ellis, *Semi conductors opto-electronics* (Butterworths, London, 1973).

3. G. Bruhat, A. Kastler, *Optique* cours de Physique
Generale (Masson, Paris, 1965).

4. H. Murray et A. Tosser, *Thin Solid films*, 24, 165-180 (1974).

5. H. Murray, *Revue de Physique appliquée*, Tome 10 Novembre 1975, pp. 427-432.

6. H. Murray et A. Tosser, *Thin solid films*, 36, 247-250 (1976).

7. A. Tosser, H. Murray et M. Arsalane, *Thin solid films*, 31, 297-309 (1976).

8. H. G. Murray, et A. J. Tosser, *Applied Physics*, 8, 277-279 (1975).

9. R. M. Hill, *Phil. Mag.*, **23**, 59–86 (197?).

10. A. Cachard, J. Pivot, C. H. S. Dupuy, C.R. Acad. Sc. (Paris) 270 (1970) 1058, série B.

11. A. Piel et H. Murray, *Revue de Physique appliquée*, Tome 11, Mai 1976, pp. 397-402.

12. A. Tosser, H. Murray, M. Arsalane, A. Piel, 7th *International symposium on photon detectors* (IMEKO) Braunschweig, F.R.G. 17–21 May (1976).
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