EP4341996A1 - Dispositif optoélectronique, générateur de photons uniques, mémoire, multiplexeur, implant et procédé associés - Google Patents

Dispositif optoélectronique, générateur de photons uniques, mémoire, multiplexeur, implant et procédé associés

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Publication number
EP4341996A1
EP4341996A1 EP22730400.3A EP22730400A EP4341996A1 EP 4341996 A1 EP4341996 A1 EP 4341996A1 EP 22730400 A EP22730400 A EP 22730400A EP 4341996 A1 EP4341996 A1 EP 4341996A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
type
energy
doping
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22730400.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien Pernot
Cédric MASANTE
Nicolas ROUGER
Martin KAH
Clément HÉBERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Universite Grenoble Alpes
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Universite de Toulouse
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Universite Grenoble Alpes
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM, Universite Toulouse III Paul Sabatier, Universite Grenoble Alpes, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • Optoelectronic device single photon generator, memory, multiplexer, implant and related method
  • the present invention relates to an optoelectronic device.
  • the present invention also relates to a single photon generator, a memory, a multiplexer, an implant and a method implementing such an optoelectronic device.
  • Electronic devices comprising at least a portion of a semiconductor material whose properties are controlled by an electric voltage applied between two contacts are used in many applications.
  • transistors use a junction between two semiconductor portions doped with different types of doping, the voltage between the two contacts modifying the extension of a depletion zone of the junction in at least one of the two portions.
  • the application of a voltage having a given value can cause the extension of the depletion zone in a significant fraction of one of the portions.
  • the depletion zone is a zone in which no free carriers, or very few free carriers, are present, a large extension of the depletion zone can block, in certain cases, all electrical conduction between two electric ranges connected to one of the portions, while for other voltage values a conductive channel exists between these two ranges.
  • Such devices can quickly switch between their two states depending on whether a voltage is applied between their contacts, and depending on the value of this voltage, and are called “junction field-effect transistors", or “JFETs”.
  • JFETs junction field-effect transistors
  • Other types of devices using the same type of commands for example MOSFET transistors, or single photon emitters (among others), advantageously benefit from this type of command to switch easily and quickly.
  • an optoelectronic device comprising a first portion, a second portion, a first contact and a second contact, the first portion being made of a first semiconductor material having a first type of doping from among the type doping n and p-type doping, the second portion being made of a second semiconductor material having a second type of doping from among n-type doping and p-type doping, the second type of doping being different from the first type of doping , the first portion and the second portion being in contact with each other and forming a p/n junction comprising a depletion zone in the first portion, the first contact being electrically connected to the first portion, the second contact being electrically connected to the second portion, the first contact and the second contact being configured so that, when an electric voltage is applied between the first contact and the deu nth
  • the device has one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible combinations:
  • the photon energy is strictly lower than a forbidden band value of the second portion, the forbidden band value being an energy difference between a conduction band and a valence band of the second portion.
  • the device further comprises a thermoregulator configured to maintain a temperature of the second portion at a value such that the thermal energy of the carriers in the second portion is less than or equal to one tenth of the ionization energy.
  • the device further comprises a controller configured to control the generation of radiation by the emitter and to modify a voltage value between the first contact and the second contact while the second portion is illuminated with the radiation.
  • the optoelectronic device is a transistor and further comprises a third electrical contact, the third electrical contact being electrically connected to the first portion, the first contact being a source, the second contact being a gate and the third contact being a drain of the transistor, the first contact and the second contact being configured so that for a given value of the voltage between the first contact and the second contact, the depletion zone prevents the passage of charge carriers, in the first portion, between the first contact and the third contact.
  • the ionization energy is greater than or equal to 0.4 electron-volts, in particular greater than or equal to 1 electron-volt, in particular greater than or equal to 1.5 electron-volts.
  • the second material is diamond.
  • the device comprises at least one NV center in the first portion, the first contact and the second contact being configured so that, for a first value of the voltage between the first contact and the second contact, the depletion zone includes the NV center and, for a second value of the voltage, the depletion zone does not include the NV center.
  • a single photon generator is also proposed comprising an optoelectronic device as previously described.
  • a memory comprising at least one transistor as previously described, the memory being configured to store at least one piece of information in the form of an on or off state of the transistor.
  • a time-division multiplexer comprising at least one transistor as previously described.
  • an implant capable of being implanted in a human or animal body, comprising a multiplexer as previously described and/or at least one transistor as previously described.
  • an optoelectronic device comprising a first portion, a second portion, a first contact and a second contact, the first portion being made of a first semiconductor material having a first type of doping among the n-type doping and the p-type doping, the second portion being made of a second semiconductor material having a second type of doping from among the n-type doping and the p-type doping, the second type of doping being different from the first type of doping, the first portion and the second portion (being in contact with each other and forming a p/n junction having a depletion zone in the first portion, the first contact being electrically connected to the first portion , the second contact being electrically connected to the second portion, an ionization energy being defined for dopants of the second portion, the ionization energy being an energy difference between an energy level of the dopants and an energy level of the conduction band for a material of n-type and being an energy difference between an energy level of the
  • FIG. 1 is a schematic representation of an example of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a flowchart of the steps of a method implemented by the device of Figure 1, and
  • figure 3 is a set of graphs showing the evolution of certain parameters of the device during the process of figure 2.
  • FIG. 10 A first example of optoelectronic device 10 is represented in FIG.
  • the device 10 is, for example, a device 10 among a set of devices 10 forming a device such as a memory, an implant, a power electronics device or a communication or encryption device.
  • the optoelectronic device 10 comprises a first portion 15, a second portion 20, a first contact 25, a second contact 30, a third contact 35, a transmitter 40, a controller 45 and, optionally, a thermoregulator 50.
  • the first example of optoelectronic device 10 is, for example, a transistor.
  • the first portion 15 is, for example, parallelepipedic.
  • the first portion 15 extends along a direction of extension DE between a first end 55 and a second end 60.
  • the first portion 15 has, for example, in a plane perpendicular to the direction of extension DE, a section whose surface is less than or equal to 0.1 square millimeters (mm 2 ).
  • the first portion 15 is, for example, a layer carried by a face perpendicular to a normal direction D of a substrate 65.
  • the first portion 15 has, for example, a thickness of between 10 nanometers (nm) and 10 micrometers (pm) along a first direction, in particular the normal direction D, perpendicular to the direction of extension DE, and/or a width, in a second direction perpendicular to the first direction and to the direction of extension DE, between 1 ⁇ m and 1 centimeter (cm).
  • the first portion 15 is, for example, delimited along the normal direction D by a first face 67 and a second face 68 of the first portion 15.
  • the first face 67 is in contact with the substrate 65.
  • the second face 68 is in contact with the second portion 20.
  • the first portion 15 is made of a first semiconductor material.
  • a semiconductor material is a material having a band gap value strictly greater than zero and less than or equal to 8 electron-volts (eV), in particular less than or equal to 6.5 eV.
  • band gap value must be understood as being the value of the band gap between the valence band and the conduction band of the material.
  • the valence band is defined as being, among the energy bands which are allowed for electrons in the material, the band which exhibits the highest energy while being completely filled at a temperature less than or equal to 20 Kelvin ( K).
  • a first energy level is defined for each valence band.
  • the first energy level is the highest energy level in the valence band.
  • the conduction band is defined as being, among the energy bands which are allowed for the electrons in the material, the band which presents the most energy. weak while not being completely filled at a temperature less than or equal to 20 K.
  • a second energy level is defined for each conduction band.
  • the second energy level is the lowest energy level in the conduction band.
  • each bandgap value is measured between the first energy level and the second energy level of the material.
  • a direct bandgap semiconductor is an example of a semiconductor material.
  • a material is considered to have a "direct band gap" when the minimum of the conduction band and the maximum of the valence band correspond to the same value of momentum of charge carriers.
  • a material is considered to have an "indirect band gap" when the conduction band minimum and valence band maximum correspond to different momentum values of charge carriers.
  • Each semiconductor material is capable of being chosen, for example, from the set formed of III-V semiconductors, in particular nitrides of III elements, II-VI semiconductors, or even semiconductors IV-IV.
  • III-V semiconductors comprise in particular InAs, GaAs, AlAs and their alloys, InP, GaP, AIP and their alloys, and element III nitrides, which are AlN, GaN, InN and their alloys such as AlGaN or again InGaN.
  • II-VI semiconductors include in particular CdTe, HgTe, CdSe, HgSe, and their alloys.
  • IV-IV semiconductors include in particular certain forms of carbon C including diamond, Si, Ge and their alloys, in particular SiC.
  • the first material has, for example, a forbidden band greater than or equal to 3 eV, in particular greater than or equal to 5 eV.
  • the first material is, for example, diamond.
  • the first material is, for example, SiC, GaN, AlN, BN, Ga 2 Ü 3 , MgGa2O4, Al2O 3 , ZnSiN 2 , AlGalnN, MgSiN 2 , or even ZnO, or an alloy of several of these materials.
  • the first material has a doping of a first type.
  • the first type of doping is selected from p-type doping and n-type doping.
  • the first type of doping is p-type doping.
  • Doping is defined as the presence, in a material, of impurities providing free charge carriers.
  • Impurities are, for example, atoms of an element that is not naturally present in the material.
  • the doping is p-type.
  • diamond is p-doped by adding boron (B) atoms.
  • the doping is n-type.
  • diamond is n-doped by adding nitrogen (N) or phosphorus (P) atoms.
  • the first material is, for example, doped by inserting boron atoms into the diamond.
  • the first material has, for example, a density of dopants greater than or equal to 10 14 per cubic centimeter (cm -3 ), in particular greater than or equal to 10 17 cm -3 , in particular equal to 2.10 17 cm 3 .
  • the dopant density of the first portion is liable to vary.
  • the second portion 20 is made of a second semiconductor material.
  • the second material is in particular identical to the first material, with the exception of the doping.
  • the second material has a second type of doping, among p-type doping and n-type doping, different from the first type of doping.
  • the second type of doping is n-type doping.
  • the second material is, for example, the same material as the first material except for the type of doping.
  • the second material is, for example, diamond.
  • An ionization energy is defined for the second material.
  • the ionization energy is, when the second material is n-type doped, the energy difference between the energy level corresponding to the dopants in the forbidden band and the energy level at the bottom of the conduction band.
  • the ionization energy is the energy difference between the energy level corresponding to the dopants in the bandgap and the energy level at the top of the valence band.
  • the ionization energy of the second material is greater than or equal to 0.4 eV, for example greater than or equal to 1 eV, in particular greater than or equal to 1.5 eV.
  • the doping is, for example, a doping with nitrogen atoms (N), in which case the ionization energy is close to 1.7 eV.
  • the doping is a doping with phosphorus (P) atoms, in which case the ionization energy is close to 1.2 eV.
  • the second portion 20 is electrically conductive, due to its doping, in certain circumstances, but not in others.
  • the second portion 20 is in contact with the first portion 15.
  • the second portion 20 is, for example, a layer of second material carried by the second face 68 of the first portion 15.
  • the second portion 20 and the first portion 15 form a p-n junction.
  • a p/n junction is defined as being the interface between two portions of semiconductor material having respectively a p-type doping and an n-type doping.
  • the p-n junction notably comprises a depletion zone 70.
  • the depletion zone 70 is a zone of the first portion 15 and/or of the second portion 20 which is devoid of free charge carriers due to the recombination of the free carriers provided by the dopants of a first type with the free carriers brought by the dopants of another type, around the interface between the first portion 15 and the second portion 20.
  • the depletion zone 70 comprises at least a part of the first portion 15.
  • the depletion zone 70 also comprises a part of the second portion 20.
  • the extension of the depletion zone 70 depends on the electric potential at each point of the first portion 15 and of the second portion 20.
  • the first contact 25 is made of an electrically conductive material or an assembly of such materials.
  • the first contact 25 is electrically connected to the first portion 15.
  • the first contact 25 is formed by one or more layer(s) of metal carried by one face (in particular by the second face 68) of the first portion 15, for example by a stack of titanium layers, platinum and gold.
  • the first contact 25 is electrically connected to the first end 55.
  • a portion of the first material having a doping of the first type and a greater concentration of free carriers than the first portion 15 is interposed between the first contact 25 and the first end 55.
  • This portion has, for example, a thickness (measured between the first contact 25 and the first end 55) of between 50 and 300 nanometers (nm).
  • the first contact 25 is, for example, a drain or a source of the transistor, in particular a drain.
  • the second contact 30 is electrically connected to the second portion 20.
  • the second contact 30 is formed by one or more layer(s) of metal carried by one face of the second portion 20, for example by a stack of layers of titanium, platinum and gold.
  • the second contact 30 is made of a semiconductor material having the second type of doping, for example of diamond doped with boron.
  • the second contact 30 is, for example carried by a face of the second portion 20 which delimits the second portion 20 along the normal direction D.
  • the second portion 20 is interposed between the second contact 30 and the first portion 15.
  • the second contact 30 is, for example, a gate of the transistor.
  • the second contact 30 is, in particular, configured so that, when a voltage V1 is imposed between the first contact 25 and the second contact 30, a dimension of the depletion zone 70 depends on the value of the voltage V1.
  • dimension is understood to mean a measurement of the extension of the depletion zone 70, for example a volume of the depletion zone 70 or a distance between a given point of the p-n junction and the most distant point of the zone. of depletion 70.
  • the second contact 30 and the first contact 25, together, are configured so that a distance between the second face 68 of the first portion 15 and the point of the depletion zone 70 farthest from the second face 68 according to the normal direction D depends on the value of the voltage V1 between the first contact 25 and the second contact 30.
  • the second contact 30 and the first contact 25, together are configured so that, when the voltage V1 between these two contacts 25, 30 is equal to a predefined value, called in the following "cut-off value VC", the depletion zone 70 blocks the passage of current through the first portion 15 between the first contact 25 and the third contact 35.
  • depletion zone 70 extends, in at least one section of first portion 15, from second face 68 to first face 67.
  • the cut-off value VC is, for example, greater than or equal, in absolute value, to 10 volts (V), for example equal to 40 V.
  • the cut-off value VC is, for example, between -100 V and +100 V .
  • This type of operation is in particular that of a transistor of the aforementioned “JFET” type.
  • the second contact 30 and the first contact 25 are in particular, as described above, carried by different faces of the assembly formed by the first portion 15 and the second portion 20.
  • the third contact 35 is made of an electrically conductive material or an assembly of such materials.
  • the third contact 35 is electrically connected to the first portion 15.
  • the third contact 35 is formed by one or more layer(s) of metal carried by one face of the first portion 15, for example by a stack of layers of titanium, platinum and gold.
  • the third contact 35 is electrically connected to the second end 60.
  • a portion of the first material having a doping of the first type and a greater concentration of free carriers than the first portion 15 is interposed between the third contact 35 and the second end 60.
  • This portion has, for example, a thickness (measured between the third contact 35 and the second end 60) of between 100 and 300 nm.
  • the third contact 35 is, for example, a drain or a source of the transistor, in particular a source.
  • Emitter 40 is configured to generate electromagnetic radiation and to illuminate second portion 20 with the radiation.
  • the transmitter 40 comprises, for example, a light emitting diode 75 and at least a fourth electrical contact 80.
  • the emitter 40 is, for example, carried by the same face of the second portion 20 as the second contact 30, or even carried by the second contact 30 itself, which in this case is partially transparent or totally transparent to radiation.
  • the emitter 40 is not in contact with the rest of the device 10, for example if the emitter 40 is common to several devices 10, or even if the radiation generated by the emitter 40 is focused on the second portion 20 by a focusing device such as a lens, or brought to the second portion 20 by an optical conductor such as an optical fiber.
  • the emitter 40 can take many forms, for example a light source common to several devices 10 and comprising, for each device 10, an element capable of preventing the radiation from illuminating the corresponding device 10 if necessary, for example a liquid crystal element.
  • the transmitter 40 is, in particular, configured to illuminate only one device 10, if several devices 10 are present. For example, opaque barriers are placed between neighboring devices.
  • the light-emitting diode 75 is configured to generate the radiation when a voltage is imposed between two faces of the diode 75, for example between the fourth contact 80 and the second contact 25 when the emitter 40 is carried by the second contact 25.
  • the light-emitting diode 75 is, for example, a planar diode formed by a stack of layers superimposed along the normal direction D.
  • the light-emitting diode 75 is formed by a set of nanostructures each extending along the normal direction D, each nanostructure being, for example, a nanowire or a nanocolumn.
  • each nanostructure has, for example, a light-emitting diode structure, in particular a base having the second type of doping, a top having the first type and an intermediate portion, interposed between the base and the top, and configured to generate the radiation.
  • Photon energy is defined as the energy of one photon of radiation.
  • the photon energy is defined as being the energy that the greatest number of photons of the radiation present, in other words the energy corresponding to the apex of the peak of a curve representing the luminous intensity of the radiation. as a function of photon energy.
  • the photon energy of the radiation is greater than or equal to the ionization energy of the second portion.
  • the photon energy is strictly lower than the value of the forbidden band of the second material.
  • the photon energy is, for example, between 1.7 eV and 3.3 eV, in particular between 2.6 eV and 3.3 eV.
  • the radiation is blue or violet radiation.
  • the radiation propagates, for example, along the normal direction D from the light-emitting diode 75 in the direction of the substrate 65.
  • the radiation has, for example, a photon power P of between 1 milliwatt per square centimeter and 10 watts per square centimeter, for example equal to 11 milliwatts per square centimeter.
  • the controller 45 is configured to control the application of a voltage V1 between the first contact 25 and the second contact 30, of a voltage V2 between the first contact 25 and the third contact 35, and/or of a voltage between the second contact 30 and the fourth contact 80.
  • controller 45 is configured to control the generation of the radiation by the emitter 40, and the illumination of the second portion 20 with the radiation.
  • the controller 45, and/or the thermoregulator 50 are for example common to several devices 10. According to possible embodiments, a single controller 45 is for example suitable for controlling each device 10, in particular for controlling the voltages V1 and V2 of each of the devices, as well as the various transmitters 40.
  • thermoregulator 50 which is optional, is configured to maintain at a fixed temperature at least the second portion 20, for example the entire device 10.
  • thermoregulator 50 is configured to maintain the second portion 20 at a temperature such that the thermal energy of the free carriers in the second portion 20 is less than or equal to one tenth of the ionization energy of the second portion 20 .
  • the thermal energy is proportional to the product of the Boltzmann constant k and the temperature in kelvin.
  • Boltzmann's constant k is equal to 1.380649x10-23 joules per kelvin.
  • thermoregulator 50 is designed to maintain the temperature at a value such that the product of the Boltzmann constant and the temperature is less than or equal to one tenth of the ionization energy.
  • FIG. 2 represents a flowchart of the steps of an operating method of the electronic device 10.
  • FIG. 3 represents, during the implementation of the method, the evolution of the values of the photon power P of the radiation, of the voltage V1 between the contacts 25 and 30, and of the current density I of a current flowing between contacts 25 and 35.
  • the method comprises an initial step 100, a first step 110 of illumination, a first step 120 of modification, a stopping step 130, a second step of modification 140 and a second step of illumination 150.
  • the voltage V1 between the first contact 25 and the second contact 30 is equal to an initial value, this being, for example, zero volts. Further, the radiation is not emitted by the emitter 40.
  • the depletion zone 70 has a minimum dimension.
  • the initial step 100 was preceded by a step in which the second portion 20 was illuminated by the radiation while the voltage V1 was equal to the initial value, as will appear later.
  • the minimum dimension of the depletion zone 70 is its dimension when the voltage V1 has its initial value, and the second portion 20 is electrically conductive, for example when the temperature of the second portion 20 is sufficient for the rate of free carriers in the second portion 20 is greater than or equal to 10 10 cnr 3 in the absence of radiation, or when, below this temperature, the second portion 20 is illuminated by the radiation.
  • the depletion zone 70 is represented symbolically in its minimum dimension in FIG.
  • the depletion zone 70 When the depletion zone 70 has its minimum dimension, the depletion zone 70 allows the passage of an electric current through the first portion 15 between the first contact 15 and the third contact 35.
  • the transistor 10 is in a so-called "on" state, since the first portion 15 is conductive for a current flowing between the source 35 and the drain 25 or vice versa.
  • an electric voltage V2 of between -40 V and 40 V is applied by the controller 45 between the first contact 25 and the third contact 35.
  • An electric current then flows between the first contact 25 and the third contact 35.
  • the configuration of the device 10 during the initial step 100 is indicated by an arrow 200 in FIG. 3.
  • the current density I is, in particular, equal to 0.1 milliamperes per millimeter (mA/mm), however this density of current can vary depending on the voltage V2.
  • the second portion 20 is illuminated with the radiation.
  • controller 45 electrically powers emitter 40 so as to cause emitter 40 to generate radiation.
  • the voltage V1 is modified, by the controller 45, from the initial value to the cut-off value VC.
  • this time range has a duration greater than or equal to 1 nanosecond (ns), for example between 10 ns and 100 microseconds (ps).
  • the voltage V1 is maintained at the cut-off value VC before the first portion 20 is illuminated with the radiation.
  • the illumination begins before the modification of the value of the voltage V1.
  • the size of the depletion zone depends on the capacity of the free carriers of the two types (holes and free electrons) to move in the p-n junction to recombine, which results in a depletion zone 70 devoid of free carriers in significant quantity.
  • the temperature of the second portion 20 is such that the thermal energy available for the carriers is clearly lower than the ionization energy, very few free carriers are naturally present there because very few dopants can thermally ionize and thus release their carriers.
  • the field effect caused by the two contacts 25, 30 and the voltage V1 between them should tend to increase the size of the depletion zone 70, this does not in fact occur.
  • the first modification step 120 takes place during the time range where the second portion 20 is illuminated and the voltage V1 has the cut-off value VC.
  • the radiation has a photon energy greater than or equal to the ionization energy, dopants ionize by absorbing part of the radiation and thus release free carriers in the second portion 20.
  • the illumination with the radiation as well as the presence of the second voltage V1 at its cut-off value VC, cause the modification of the extension of the depletion zone 70.
  • the depletion zone 70 sees at least one of its dimensions increase until the current flow between the first contact 25 and the third contact 35 is cut off. The transistor is then off. Consequently, the current density I measured decreases greatly compared to the initial stage, and is of the order of 10 -7 mA /mm.
  • the depletion zone extends from the second face 68 to the first face 67 under the effect of the voltage V1 and the illumination.
  • the illumination is stopped.
  • controller 45 stops powering transmitter 40.
  • Stopping the illumination makes the second portion 20 again electrically insulating, since its dopants can no longer rely on thermal energy, which is insufficient, to ionize.
  • the voltage V1 is modified from its cut-off value to its initial value.
  • the depletion zone 70 remains at its maximum dimension and therefore prevents the passage of current between the first contact 25 and the third contact 35.
  • the second portion 20 is illuminated with the radiation, the voltage V1 remaining at the initial value.
  • the ionization of the dopants of the second portion 20 by the radiation then causes the modification of the dimension of the depletion zone 70.
  • the dimension of the depletion zone 70 returns to its initial value (i.e. the value during the initial step 100).
  • the current can again flow between the first contact 25 and the third contact 35 under the effect of the voltage V2. This appears at the level of the arrow 240 in FIG. 3, the current density I returning to its initial level.
  • Steps 100 to 150 are, for example, iterated as necessary during the operation of device 10.
  • the dimension of the depletion zone 70 is only modified when the second portion 20 is illuminated with the radiation, independently of the value of the voltage V1.
  • the device 10 switches between its two states (corresponding to the two dimensions of the depletion zone 70) in a non-volatile manner.
  • the inventors were able to measure that, in the absence of illumination, the transistor remains in its off state, even with a voltage V1 equal to zero, for 48 hours at 297 K, the start of illumination resulting in an increase of more than 4 orders of magnitude in current. At 373 K, more than three orders of magnitude of difference are observed when the second portion 20 is illuminated after one hour.
  • device 10 remains in each of its states even in the absence of electrical voltage (i.e. when V1 is equal to zero).
  • the value of the voltage V1 is, in fact, of importance only when the second portion 20 is illuminated.
  • the device 10 only requires an electrical power supply (besides, for example, a possible voltage V2) only when it is desired to switch the device from one state to another, since it is then necessary to generate at least the radiation and, if necessary, apply the voltage V1, with its cut-off value VC, between contacts 25 and 30.
  • an electrical power supply besides, for example, a possible voltage V2
  • the invention lies in particular in the choice of a combination between the operating temperature of the device 10 and the ionization energy of the second portion 20, which prevents the second portion 20 from being conductive at this temperature under the effect of thermal energy alone.
  • the doping of the second portion is too deep to be functional in the absence of radiation at the desired operating temperature. Such doping would therefore be considered useless and inefficient for those skilled in the art in devices of the state of the art without an emitter.
  • the photon energy is strictly lower than the value of the forbidden band of the second portion 20, only the dopants absorb the radiation, which can then deeply illuminate the second portion since it is little absorbed by the latter. The intensity of the radiation emitted is therefore low and the energy consumption reduced.
  • thermoregulator 50 makes it possible to maintain the second portion 20 at a temperature in which the dopants are only weakly thermally ionized, and thus to use a wide range of possible semiconductor materials.
  • the device 10 When the ionization energy is greater than or equal to 0.4 eV, the device 10 is likely to have no thermoregulator 50, since, at room temperature (around 20-30° C.), the dopants of the second portion 20 are only very weakly ionized.
  • Diamond in particular has a very wide forbidden band, and therefore allows the selection of dopants having high ionization energies, in particular nitrogen, whose ionization energy is 1.7 eV or phosphorus whose energy ionization is 1.2 eV.
  • Such devices 10, in particular such transistors can advantageously be used for example in memories, the information stored in memory the state, for example in the form of an on state or not of the transistor (for example, an on transistor indicates a value "0" and a non-passing transistor a state "1", or vice versa).
  • the low consumption of the transistors 10 makes them particularly suitable for forming part of a module, for example of a memory or a multiplexer, of an implant intended to be implanted in the body of a patient or a animal, for example in the brain.
  • this multiplexer being provided for successively connecting the different electrodes to the information processing module so as to allow multiplexing of the signals exchanged between the electrodes and the processing module.
  • diamond is a biocompatible material and would therefore be particularly suitable for such an implantation, since bringing the device 10 into contact with bodily fluids, for example, would then not be harmful for the patient or for the operation of the device 10.
  • the device 10 in the form of a transistor 10 is represented in the figures and described previously, it will appear to those skilled in the art that the invention is capable of being applied to other types of devices. 10.
  • the modification of the extension of the depletion zone is not necessarily used to allow or block the passage of an electric current.
  • the device 10 is a single photon generator and comprises, in the first portion 15, a center XV.
  • X is the generic atom symbol substituted for the carbon atom (e.g. N, Si, Sn, etc).
  • Such centers can present several states depending on their charge.
  • their state can vary according to the local Fermi level, and therefore be modified according to whether the center XV is located in the depletion zone 70 or not.
  • the NV center is, for example, designed to be optically excited by visible light sources in order to achieve a transition from the ground state to the excited state.
  • the intensity of the optical luminescence signals from the NV- centers is sensitive to external disturbances such as temperature, crystal deformations and magnetic and electric fields.
  • the luminescence intensity can be used quantitatively to measure one of these physical quantities at room temperature.
  • An NV- center can be obtained from an NV° center by modifying the Fermi level, which is achieved in a non-volatile manner thanks to this invention.
  • contacts 25 and 30 are configured so that, in the presence of radiation 20, when voltage V1 has its initial value, center XV is located outside depletion zone 70, and center XV is included in the depletion zone 70 when the voltage V1 has the cutoff value VC.
  • the state of the center XV in particular its state of charge, is modified by the control of the voltage V1 when the radiation illuminates the second portion 20, and is kept unchanged in the absence of the radiation, whatever the value of the voltage V1.
  • single photon generators of this type do not, for example, have a third contact 35.
  • the device 10 is a MOSFET type transistor, in particular a MOSFET operating in inversion, the first portion 15 being a portion of the substrate carrying the transistor.
  • the extension of the depletion zone makes it possible to polarize the substrate in a non-volatile way and therefore to modify the threshold voltage, for which a conduction channel between the drain and the source appears.
  • the geometry of the device 10 is likely to vary.
  • a plurality of second portions 20 are likely to be present, these second portions each being connected to a corresponding second contact 30, the second contacts 30 being, for example electrically connected to each other so as to present the same potential. electric.
  • the first portion 15 is, for example, interposed between several second portions 20, so that the depletion zones 70 of the second portions 20, when the voltage V1 has the cut-off value VC, extend towards each other. the others until they merge and thus form, over an entire section of the first portion 15, a barrier to the passage of current between the contacts 25 and 35.
  • the second portion 20 is a portion or all of a substrate carrying the first portion 15, the contact 30 then being, for example, arranged on a face of the substrate opposite to the face carrying the first portion 15 .

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) comportant une première portion (15), une deuxième portion (20), un premier contact (25) et un deuxième contact (30), la première portion (15) étant réalisée en un semi-conducteur présentant un premier dopage, la deuxième portion (20) étant en un semi-conducteur présentant un deuxième dopage différent du premier, la première portion (15) et la deuxième portion (20) formant une jonction p/n comportant une zone de déplétion (70) dans la première portion (15), les contacts (25, 30) étant configurés pour que, lorsqu'une tension électrique (V1) est appliquée entre les contacts (25, 30), une dimension de la zone de déplétion (70) dépend d'une valeur de la tension électrique, une énergie d'ionisation étant définie pour des dopants de la deuxième portion (20). Le dispositif (10) comporte un émetteur (40) générant un rayonnement présentant une énergie supérieure à l'énergie d'ionisation et illuminant la deuxième portion (20) avec le rayonnement.

Description

Dispositif optoélectronique, générateur de photons uniques, mémoire, multiplexeur, implant et procédé associés
La présente invention concerne un dispositif optoélectronique. La présente invention concerne également un générateur de photons uniques, une mémoire, un multiplexeur, un implant et un procédé mettant en œuvre un tel dispositif optoélectronique.
Des dispositifs électroniques comportant une portion au moins d’un matériau semi- conducteur dont les propriétés sont commandées par une tension électrique appliquée entre deux contacts sont utilisés dans de nombreuses applications.
Par exemple, des transistors utilisent une jonction entre deux portions semi- conductrices dopées de types de dopages différents, la tension entre les deux contacts modifiant l’extension d’une zone de déplétion de la jonction dans au moins une des deux portions. En particulier, l’application d’une tension présentant une valeur donnée peut causer l’extension de la zone de déplétion dans une fraction importante de l’une des portions.
Puisque la zone de déplétion est une zone dans laquelle aucun porteur libre, ou très peu de porteurs libres, n’est (ne sont) présent(s), une grande extension de la zone de déplétion peut bloquer, dans certains cas toute conduction électrique entre deux plages électriques connectés à l’une des portions, tandis que pour d’autres valeurs de la tension un canal conducteur existe entre ces deux plages.
Ainsi, de tels dispositifs peuvent commuter rapidement entre leurs deux états selon qu’une tension est appliquée entre leurs contacts, et en fonction de la valeur de cette tension, et sont appelés « transistors à effet de champ à jonction », ou « JFET ». D’autres types de dispositifs utilisant le même type de commandes, par exemple des transistors MOSFET, ou des émetteurs de photons uniques (entre autres), bénéficient avantageusement de ce type de commande pour commuter de manière simple et rapide.
Toutefois, ces dispositifs requièrent une quantité d’énergie non négligeable pour rester dans celui de leurs états qui requiert l’application d’une tension, justement parce que cette tension doit être appliquée en permanence. Leur consommation énergétique peut donc être élevée du fait de cette nature volatile, notamment en cas de maintien d’un état donné pendant une période longue.
Il existe en conséquence un besoin pour un dispositif optoélectronique présentant une consommation énergétique plus faible que les dispositifs de l’état de la technique en cas de maintien d’un état donné pendant une période longue. A cet effet, il est proposé un dispositif optoélectronique comportant une première portion, une deuxième portion, un premier contact et un deuxième contact, la première portion étant réalisée en un premier matériau semi-conducteur présentant un premier type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, la deuxième portion étant en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, le deuxième type de dopage étant différent du premier type de dopage, la première portion et la deuxième portion étant en contact l’une avec l’autre et formant une jonction p/n comportant une zone de déplétion dans la première portion, le premier contact étant électriquement connecté à la première portion, le deuxième contact étant électriquement connecté à la deuxième portion, le premier contact et le deuxième contact étant configurés pour que, lorsqu’une tension électrique est appliquée entre le premier contact et le deuxième contact, une dimension de la zone de déplétion dépend d’une valeur de la tension électrique, une énergie d’ionisation étant définie pour des dopants de la deuxième portion, l’énergie d’ionisation étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie des dopants et un niveau d’énergie de la bande de conduction pour un matériau de type n et étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie de la bande de valence et un niveau d’énergie des dopants pour un matériau de type p, le dispositif optoélectronique comporte, en outre, un émetteur configuré pour générer un rayonnement électromagnétique présentant une énergie de photon supérieure ou égale à l’énergie d’ionisation des dopants de la deuxième portion et pour illuminer la deuxième portion avec le rayonnement.
Selon des modes de réalisation avantageux mais non obligatoires, le dispositif présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’énergie de photon est strictement inférieure à une valeur de bande interdite de la deuxième portion, la valeur de bande interdite étant une différence d’énergie entre une bande de conduction et une bande de valence de la deuxième portion.
- le dispositif comporte, en outre, un thermorégulateur configuré pour maintenir une température de la deuxième portion à une valeur telle que l’énergie thermique des porteurs dans la deuxième portion soit inférieure ou égale à un dixième de l’énergie d’ionisation.
- le dispositif comporte, en outre, un contrôleur configuré pour commander la génération du rayonnement par l’émetteur et pour modifier une valeur de tension entre le premier contact et le deuxième contact pendant que la deuxième portion est illuminée avec le rayonnement. - le dispositif optoélectronique est un transistor et comporte, en outre, un troisième contact électrique, le troisième contact électrique étant électriquement connecté à la première portion, le premier contact étant une source, le deuxième contact étant une grille et le troisième contact étant un drain du transistor, le premier contact et le deuxième contact étant configurés pour que pour une valeur donnée de la tension entre le premier contact et le deuxième contact, la zone de déplétion empêche le passage de porteurs de charge, dans la première portion, entre le premier contact et le troisième contact.
- l’énergie d’ionisation est supérieure ou égale à 0,4 électron-volts, notamment supérieure ou égale à 1 électron-volt, en particulier supérieure ou égale à 1 ,5 électron-volt.
- le deuxième matériau est le diamant.
- le dispositif comporte au moins un centre NV dans la première portion, le premier contact et le deuxième contact étant configurés pour que, pour une première valeur de la tension entre le premier contact et le deuxième contact, la zone de déplétion inclut le centre NV et, pour une deuxième valeur de la tension, la zone de déplétion n’inclut pas le centre NV.
Il est également proposé un générateur de photons uniques comportant un dispositif optoélectronique tel que précédemment décrit.
Il est également proposé une mémoire comportant au moins un transistor tel que précédemment décrit, la mémoire étant configurée pour stocker au moins une information sous la forme d’un état passant ou non-passant du transistor.
Il est également proposé un multiplexeur temporel comportant au moins un transistor tel que précédemment décrit.
Il est également proposé un implant propre à être implanté dans un corps humain ou animal, comportant un multiplexeur tel que précédemment décrit et/ou au moins un transistor tel que précédemment décrit.
Il est également proposé un procédé d’opération d’un dispositif optoélectronique comportant une première portion, une deuxième portion, un premier contact et un deuxième contact, la première portion étant réalisée en un premier matériau semi-conducteur présentant un premier type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, la deuxième portion étant en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, le deuxième type de dopage étant différent du premier type de dopage, la première portion et la deuxième portion (étant en contact l’une avec l’autre et formant une jonction p/n comportant une zone de déplétion dans la première portion, le premier contact étant électriquement connecté à la première portion, le deuxième contact étant électriquement connecté à la deuxième portion, une énergie d’ionisation étant définie pour des dopants de la deuxième portion, l’énergie d’ionisation étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie des dopants et un niveau d’énergie de la bande de conduction pour un matériau de type n et étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie de la bande de valence et un niveau d’énergie des dopants pour un matériau de type p, le procédé comportant une première étape au cours de laquelle une tension électrique entre le premier contact et le deuxième contact présente une première valeur et la zone de déplétion présente une dimension initiale, le procédé comportant des étapes de : illumination de la deuxième portion avec un rayonnement électromagnétique présentant une énergie de photon supérieure à l’énergie d’ionisation des dopants de la deuxième portion et modification de la tension électrique depuis la première valeur jusqu’à une deuxième valeur pendant que la deuxième portion est illuminée, modification de la dimension de la zone de déplétion en réponse à la modification de la valeur de la tension électrique, arrêt de l’illumination, modification de la tension depuis la deuxième valeur jusqu’à la première valeur en l’absence d’illumination, la dimension de la zone de déplétion restant inchangée, et illumination de la deuxième portion avec le rayonnement, la tension présentant la première valeur, et modification en réponse de la dimension de la zone de déplétion jusqu’à la dimension initiale.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de dispositif selon l’invention,
- la figure 2 est un ordinogramme des étapes d’un procédé mis en œuvre par le dispositif de la figure 1 , et
- la figure 3 est un ensemble de graphes montrant l’évolution de certains paramètres du dispositif au cours du procédé de la figure 2.
Un premier exemple de dispositif optoélectronique 10 est représenté sur la figure 1 .
Le dispositif 10 est, par exemple, un dispositif 10 parmi un ensemble de dispositifs 10 formant un appareil tel qu’une mémoire, un implant, un dispositif d’électronique de puissance ou un appareil de communication ou de chiffrement. Le dispositif optoélectronique 10 comporte une première portion 15, une deuxième portion 20, un premier contact 25, un deuxième contact 30, un troisième contact 35, un émetteur 40, un contrôleur 45 et, optionnellement, un thermorégulateur 50.
Le premier exemple de dispositif optoélectronique 10 est, par exemple, un transistor.
La première portion 15 est, par exemple, parallélépipédique.
La première portion 15 s’étend selon une direction d’extension DE entre une première extrémité 55 et une deuxième extrémité 60.
La première portion 15 présente, par exemple, dans un plan perpendiculaire à la direction d’extension DE, une section dont la surface est inférieure ou égale à 0,1 millimètre carré (mm2).
La première portion 15 est, par exemple, une couche portée par une face perpendiculaire à une direction normale D d’un substrat 65.
La première portion 15 présente, par exemple, une épaisseur comprise entre 10 nanomètres (nm) et 10 micromètres (pm) selon une première direction, notamment la direction normale D, perpendiculaire à la direction d’extension DE, et/ou une largeur, dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction et à la direction d’extension DE, comprise entre 1 pm et 1 centimètre (cm).
La première portion 15 est, par exemple, délimitée selon la direction normale D par une première face 67 et une deuxième face 68 de la première portion 15.
La première face 67 est en contact avec le substrat 65.
La deuxième face 68 est en contact avec la deuxième portion 20.
La première portion 15 est réalisée en un premier matériau semi-conducteur.
Un matériau semi-conducteur est un matériau présentant une valeur de bande interdite strictement supérieure à zéro et inférieure ou égale à 8 électrons-volts (eV), notamment inférieure ou égale à 6,5 eV.
L’expression « valeur de bande interdite » doit être comprise comme étant la valeur de la bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau.
La bande de valence est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus élevée tout en étant complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 Kelvin (K).
Un premier niveau d’énergie est défini pour chaque bande de valence. Le premier niveau d’énergie est le niveau d’énergie le plus élevé de la bande de valence.
La bande de conduction est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus faible tout en n’étant pas complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 K.
Un deuxième niveau d’énergie est défini pour chaque bande de conduction. Le deuxième niveau d’énergie est le niveau d’énergie le moins élevé de la bande de conduction.
Ainsi, chaque valeur de bande interdite est mesurée entre le premier niveau d’énergie et le deuxième niveau d’énergie du matériau.
Un semi-conducteur à bande interdite directe constitue un exemple de matériau semi-conducteur. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite directe » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à une même valeur de quantité de mouvement de porteurs de charge. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite indirecte » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à différentes valeurs de quantité de mouvement de porteurs de charge.
Chaque matériau semi-conducteur est susceptible d’être choisi, par exemple, parmi l’ensemble formé des semi-conducteurs lll-V, notamment des nitrures d’éléments III, des semi-conducteurs ll-VI, ou encore des semi-conducteurs IV-IV.
Les semi-conducteurs lll-V comportent notamment InAs, GaAs, AlAs et leurs alliages, InP, GaP, AIP et leurs alliages, et les nitrures d’éléments III, qui sont AIN, GaN, InN et leurs alliages tels d’AIGaN ou encore InGaN.
Les semi-conducteurs ll-VI comportent notamment CdTe, HgTe, CdSe, HgSe, et leurs alliages.
Les semi-conducteurs IV-IV comportent notamment certaines formes du carbone C dont le diamant, Si, Ge et leurs alliages, notamment SiC.
Le premier matériau présente, par exemple, une bande interdite supérieure ou égale à 3 eV, notamment supérieure ou égale à 5 eV.
Le premier matériau est, par exemple, le diamant.
En variante, le premier matériau est, par exemple, SiC, GaN, AIN, BN, Ga2Ü3, MgGa204, AI2O3, ZnSiN2, AIGalnN, MgSiN2, ou encore ZnO, ou un alliage de plusieurs de ces matériaux.
Le premier matériau présente un dopage d’un premier type.
Le premier type de dopage est choisi parmi le dopage de type p et le dopage de type n. Par exemple, le premier type de dopage est le dopage de type p.
Le dopage se définit comme la présence, dans un matériau, d’impuretés apportant des porteurs de charges libres. Les impuretés sont, par exemple, des atomes d’un élément qui n’est pas naturellement présent dans le matériau. Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique de trous dans le matériel, par rapport à du matériel non dopé, le dopage est de type p. Par exemple, le diamant, est dopé p en ajoutant des atomes de bore (B).
Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique d’électrons libres dans le matériau, par rapport au matériau non dopé, le dopage est de type n. Par exemple, le diamant est dopé n en ajoutant des atomes d’azote (N) ou de phosphore (P).
Le premier matériau est, par exemple, dopé par insertion d’atomes de bore dans le diamant.
Le premier matériau présente, par exemple, une densité de dopants supérieure ou égale à 1014 par centimètre cube (cm-3), notamment supérieure ou égale à 1017 cm-3, en particulier égale à 2.1017 cm 3. Toutefois, la densité de dopants de la première portion est susceptible de varier.
La deuxième portion 20 est réalisée en un deuxième matériau semi-conducteur.
De manière générale, le deuxième matériau est notamment identique au premier matériau, à l’exception du dopage.
Le deuxième matériau présente un deuxième type de dopage, parmi le dopage de type p et le dopage de type n, différent du premier type de dopage. Par exemple, le deuxième type de dopage est le dopage de type n.
Le deuxième matériau est, par exemple, le même matériau que le premier matériau à l’exception du type de dopage.
Le deuxième matériau est, par exemple, le diamant.
Il est défini une énergie d’ionisation pour le deuxième matériau.
L’énergie d’ionisation est, lorsque le deuxième matériau est dopé de type n, la différence d’énergie entre le niveau d’énergie correspondant aux dopants dans la bande interdite et le niveau d’énergie du bas de la bande de conduction.
Lorsque le deuxième matériau est dopé de type p, l’énergie d’ionisation est la différence d’énergie entre le niveau d’énergie correspondant aux dopants dans la bande interdite et le niveau d’énergie du haut de la bande de valence.
L’énergie d’ionisation du deuxième matériau est supérieure ou égale à 0,4 eV, par exemple supérieure ou égale à 1 eV, notamment supérieure ou égale à 1 ,5 eV.
Lorsque le deuxième matériau est le diamant, le dopage est, par exemple, un dopage avec des atomes d’azote (N), auquel cas l’énergie d’ionisation est proche de 1 ,7 eV.
Selon un autre exemple, le dopage est un dopage avec des atomes de phosphore (P), auquel cas l’énergie d’ionisation est proche de 1 ,2 eV. Comme il apparaîtra plus bas, la deuxième portion 20 est électriquement conductrice, du fait de son dopage, dans certaines circonstances, mais pas dans d’autres.
De manière générale, c’est le cas pour les semi-conducteurs dopés, puisque le dopage permet la conduction électrique lorsque des électrons de la bande de valence sont captés par des dopants p (et laissent donc un trou mobile dans la bande de valence) ou lorsque des électrons de dopants n sont captés par la bande de conduction (dans laquelle ils sont libres de se déplacer).
Toutefois, pour cela, il est nécessaire que ces électrons acquièrent une énergie égale à la différence d’énergie entre les deux états entre lesquels les électrons se déplacent. En pratique, cette énergie est de l’énergie thermique dans les applications de l’état de la technique. Toutefois, comme cela sera montré plus bas, d’autres sources d’énergie sont envisageables que la seule chaleur.
La deuxième portion 20 est en contact avec la première portion 15.
La deuxième portion 20 est, par exemple, une couche de deuxième matériau portée par la deuxième face 68 de la première portion 15.
En particulier, la deuxième portion 20 et la première portion 15 forment une jonction p-n.
Une jonction p/n est définie comme étant l’interface entre deux portions de matériau semi-conducteur présentant respectivement un dopage de type p et un dopage de type n.
La jonction p-n comporte notamment une zone de déplétion 70.
La zone de déplétion 70 est une zone de la première portion 15 et/ou de la deuxième portion 20 qui est dépourvue de porteurs de charge libres du fait de la recombinaison des porteurs libres apportés par les dopants d’un premier type avec les porteurs libres apportés par les dopants d’un autre type, aux environs de l’interface entre la première portion 15 et la deuxième portion 20.
La zone de déplétion 70 comporte au moins une partie de la première portion 15. La zone de déplétion 70 comporte en outre une partie de la deuxième portion 20.
De manière connue en soi, l’extension de la zone de déplétion 70 dépend du potentiel électrique en chaque point de la première portion 15 et de la deuxième portion 20.
Le premier contact 25 est réalisé en un matériau électriquement conducteur ou en un assemblage de tels matériaux.
Le premier contact 25 est électriquement connecté à la première portion 15.
Par exemple, le premier contact 25 est formé par une ou plusieurs couche(s) de métal portée(s) par une face (notamment par la deuxième face 68) de la première portion 15, par exemple par un empilement de couches de titane, de platine et d’or. En particulier, le premier contact 25 est électriquement connecté à la première extrémité 55.
Optionnellement, une portion du premier matériau présentant un dopage du premier type et une plus grande concentration en porteurs libres que la première portion 15 est interposée entre le premier contact 25 et la première extrémité 55. Cette portion présente, par exemple, une épaisseur (mesurée entre le premier contact 25 et la première extrémité 55) comprise entre 50 et 300 nanomètres (nm).
Lorsque le dispositif optoélectronique 10 est un transistor, le premier contact 25 est, par exemple, un drain ou une source du transistor, notamment un drain.
Le deuxième contact 30 est électriquement connecté à la deuxième portion 20.
Par exemple, le deuxième contact 30 est formé par une ou plusieurs couche(s) de métal portée(s) par une face de la deuxième portion 20, par exemple par un empilement de couches de titane, de platine et d’or.
En variante, le deuxième contact 30 est réalisé en un matériau semi-conducteur présentant le deuxième type de dopage, par exemple en diamant dopé au bore.
Le deuxième contact 30 est, par exemple porté par une face de la deuxième portion 20 qui délimite la deuxième portion 20 selon la direction normale D.
La deuxième portion 20 est interposée entre le deuxième contact 30 et la première portion 15.
Lorsque le dispositif optoélectronique 10 est un transistor, le deuxième contact 30 est, par exemple, une grille du transistor.
Le deuxième contact 30 est, notamment, configuré pour que, lorsqu’une tension V1 est imposée entre le premier contact 25 et le deuxième contact 30, une dimension de la zone de déplétion 70 dépend de la valeur de la tension V1 .
Il est entendu par « dimension » une mesure de l’extension de la zone de déplétion 70, par exemple un volume de la zone de déplétion 70 ou une distance entre un point donné de la jonction p-n et le point le plus lointain de la zone de déplétion 70.
Par exemple, le deuxième contact 30 et le premier contact 25, ensemble, sont configurés pour qu’une distance entre la deuxième face 68 de la première portion 15 et le point de la zone de déplétion 70 le plus éloigné de la deuxième face 68 selon la direction normale D dépende de la valeur de la tension V1 entre le premier contact 25 et le deuxième contact 30.
Un tel effet, connu en soi, est appelé « effet de champ » et est exploité dans certains transistors, comme notamment les JFET précités.
En particulier, le deuxième contact 30 et le premier contact 25, ensemble, sont configurés pour que, lorsque la tension V1 entre ces deux contacts 25, 30 est égale à une valeur prédéfinie, appelée dans la suite « valeur de coupure VC», la zone de déplétion 70 bloque le passage de courant à travers la première portion 15 entre le premier contact 25 et le troisième contact 35.
Par exemple, lorsque la tension V1 présente sa valeur de coupure VC, la zone de déplétion 70 s’étend, dans une section au moins de la première portion 15, depuis la deuxième face 68 jusqu’à la première face 67.
La valeur de coupure VC est, par exemple, supérieure ou égale, en valeur absolue à 10 volts (V), par exemple égale à 40 V. La valeur de coupure VC est, par exemple, comprise entre - 100 V et + 100 V.
Ce type de fonctionnement est notamment celui d’un transistor du type « JFET » précité.
Pour cela, le deuxième contact 30 et le premier contact 25 sont notamment, comme décrit ci-dessus, portés par des faces différentes de l’ensemble formé par la première portion 15 et la deuxième portion 20.
Le troisième contact 35 est réalisé en un matériau électriquement conducteur ou en un assemblage de tels matériaux.
Le troisième contact 35 est électriquement connecté à la première portion 15.
Par exemple, le troisième contact 35 est formé par une ou plusieurs couche(s) de métal portée(s) par une face de la première portion 15, par exemple par un empilement de couches de titane, de platine et d’or.
En particulier, le troisième contact 35 est électriquement connecté à la deuxième extrémité 60.
Optionnellement, une portion du premier matériau présentant un dopage du premier type et une plus grande concentration en porteurs libres que la première portion 15 est interposée entre le troisième contact 35 et la deuxième extrémité 60. Cette portion présente, par exemple, une épaisseur (mesurée entre le troisième contact 35 et la deuxième extrémité 60) comprise entre 100 et 300 nm.
Lorsque le dispositif optoélectronique 10 est un transistor, le troisième contact 35 est, par exemple, un drain ou une source du transistor, notamment une source.
L’émetteur 40 est configuré pour générer un rayonnement électromagnétique et pour illuminer la deuxième portion 20 avec le rayonnement.
L’émetteur 40 comporte, par exemple, une diode électroluminescente 75 et au moins un quatrième contact électrique 80.
L’émetteur 40 est, par exemple, porté par la même face de la deuxième portion 20 que le deuxième contact 30, ou encore porté par le deuxième contact 30 lui-même, qui dans ce cas est partiellement transparent ou totalement transparent au rayonnement. En variante, l’émetteur 40 n’est pas en contact avec le reste du dispositif 10, par exemple si l’émetteur 40 est commun à plusieurs dispositifs 10, ou encore si le rayonnement généré par l’émetteur 40 est focalisé sur la deuxième portion 20 par un dispositif de focalisation tel qu’une lentille, ou encore amené à la deuxième portion 20 par un conducteur optique tel qu’une fibre optique.
De manière générale, l’émetteur 40 peut prendre de nombreuses formes, par exemple une source lumineuse commune à plusieurs dispositifs 10 et comportant, pour chaque dispositif 10, un élément propre à empêcher le rayonnement d’illuminer le dispositif 10 correspondant si besoin, par exemple un élément en cristal liquide.
L’émetteur 40 est, en particulier, configuré pour n’illuminer qu’un seul dispositif 10, si plusieurs dispositifs 10 sont présents. Par exemple, des barrières opaques sont disposés entre des dispositifs 10 voisins.
La diode électroluminescente 75 est configurée pour générer le rayonnement lorsqu’une tension est imposée entre deux faces de la diode 75, par exemple entre le quatrième contact 80 et le deuxième contact 25 lorsque l’émetteur 40 est porté par le deuxième contact 25.
La diode électroluminescente 75 est, par exemple, une diode planaire formée par un empilement de couches superposées selon la direction normale D.
En variante, la diode électroluminescente 75 est formée par un ensemble de nanostructures s’étendant chacune selon la direction normale D, chaque nanostructure étant, par exemple, un nanofil ou une nanocolonne. Dans ce cas, chaque nanostructure présente, par exemple, une structure de diode électroluminescente, notamment une base présentant le deuxième type de dopage, un sommet présentant le premier type et une portion intermédiaire, interposée entre la base et le sommet, et configurée pour générer le rayonnement.
Le rayonnement présente une énergie de photon. L’énergie de photon est définie comme étant l’énergie d’un photon du rayonnement.
En particulier, l’énergie de photon est définie comme étant l’énergie que le plus grand nombre de photons du rayonnement présente, en d’autre termes l’énergie correspondant au sommet du pic d’une courbe représentant l’intensité lumineuse du rayonnement en fonction de l’énergie de photon.
L’énergie de photon du rayonnement est supérieure ou égale à l’énergie d’ionisation de la deuxième portion.
En particulier, l’énergie de photon est inférieure strictement à la valeur de la bande interdite du deuxième matériau. L’énergie de photon est, par exemple, comprise entre 1.7 eV et 3.3 eV, en particulier entre 2.6 eV et 3.3 eV. Dans ce cas, le rayonnement est un rayonnement bleu ou violet.
Le rayonnement se propage, par exemple, selon la direction normale D à partir de la diode électroluminescente 75 en direction du substrat 65.
Le rayonnement présente, par exemple, une puissance photonique P comprise entre 1 milliwatt par centimètre carré et 10 watts par centimètre carré, par exemple égal à 11 milliwatts par centimètre carré.
Le contrôleur 45 est configuré pour commander l’application d’une tension V1 entre le premier contact 25 et le deuxième contact 30, d’une tension V2 entre le premier contact 25 et le troisième contact 35, et/ou d’une tension entre le deuxième contact 30 et le quatrième contact 80.
En particulier, le contrôleur 45 est configuré pour commander la génération du rayonnement par l’émetteur 40, et l’illumination de la deuxième portion 20 avec le rayonnement.
Le contrôleur 45, et/ou le thermorégulateur 50, sont par exemple communs à plusieurs dispositifs 10. Selon des modes de réalisation envisageables, un unique contrôleur 45 est par exemple propre à contrôler chaque dispositif 10, notamment à commander les tensions V1 et V2 de chacun des dispositifs, ainsi que les différents émetteurs 40.
Le thermorégulateur 50, qui est optionnel, est configuré pour maintenir à une température fixée au moins la deuxième portion 20, par exemple l’ensemble du dispositif 10.
En particulier, le thermorégulateur 50 est configuré pour maintenir la deuxième portion 20 à une température telle que l’énergie thermique des porteurs libres dans la deuxième portion 20 est inférieure ou égale à un dixième de l’énergie d’ionisation de la deuxième portion 20.
L’énergie thermique est proportionnelle au produit de la constante de Boltzmann k et de la température en kelvin. La constante de Boltzmann k est égale à 1.380649x10-23 joules par kelvin.
Par exemple, le thermorégulateur 50 est prévu pour maintenir la température à une valeur telle que le produit de la constante de Boltzmann et de la température est inférieur ou égal à un dixième de l’énergie d’ionisation.
Le fonctionnement du premier exemple va maintenant être décrit, en référence aux figures 2 et 3.
La figure 2 représente un ordinogramme des étapes d’un procédé d’opération du dispositif électronique 10. La figure 3 représente, au cours de la mise en œuvre du procédé, l’évolution des valeurs de la puissance photonique P du rayonnement, de la tension V1 entre les contacts 25 et 30, et de la densité de courant I d’un courant circulant entre les contacts 25 et 35.
Le procédé comporte une étape initiale 100, une première étape 1 10 d’illumination, une première étape 120 de modification, une étape d’arrêt 130, une deuxième étape de modification 140 et une deuxième étape d’illumination 150.
Au cours de l’étape initiale 100, la tension V1 entre le premier contact 25 et le deuxième contact 30 est égale à une valeur initiale, celle-ci étant, par exemple, zéro volts. En outre, le rayonnement n’est pas émis par l’émetteur 40.
Au cours de l’étape initiale 100, la zone de déplétion 70 présente une dimension minimale. Par exemple, l’étape initiale 100 a été précédée d’une étape dans laquelle la deuxième portion 20 était illuminée par le rayonnement alors que la tension V1 était égale à la valeur initiale, comme il apparaîtra par la suite.
La dimension minimale de la zone de déplétion 70 est sa dimension lorsque la tension V1 présente sa valeur initiale, et que la deuxième portion 20 est électriquement conductrice, par exemple lorsque la température de la deuxième portion 20 est suffisante pour que le taux de porteurs libres dans la deuxième portion 20 soit supérieur ou égal à 1010 cnr3 en l’absence de rayonnement, ou lorsque, en-dessous de cette température, la deuxième portion 20 est illuminée par le rayonnement.
La zone de déplétion 70 est représentée symboliquement dans sa dimension minimale sur la figure 1 .
Lorsque la zone de déplétion 70 présente sa dimension minimale, la zone de déplétion 70 permet le passage d’un courant électrique à travers la première portion 15 entre le premier contact 15 et le troisième contact 35.
Ainsi, lors de l’étape initiale 100, le transistor 10 est dans un état dit « passant », puisque la première portion 15 est conductrice pour un courant circulant entre la source 35 et le drain 25 ou vice-versa.
Dans l’exemple de procédé décrit ici, une tension électrique V2 comprise entre - 40 V et 40 V est appliquée par le contrôleur 45 entre le premier contact 25 et le troisième contact 35. Un courant électrique circule alors entre le premier contact 25 et le troisième contact 35.
La configuration du dispositif 10 lors de l’étape initiale 100 est indiquée par une flèche 200 sur la figure 3. La densité de courant I est, notamment, égale à 0,1 milliampères par millimètre (mA/mm), toutefois cette densité de courant peut varier en fonction de la tension V2. Lors de la première étape d’illumination 110, la deuxième portion 20 est illuminée avec le rayonnement.
Par exemple, le contrôleur 45 alimente électriquement l’émetteur 40 de manière à provoquer la génération du rayonnement par l’émetteur 40.
Lors de la première étape d’illumination 110, la tension V1 est modifiée, par le contrôleur 45, depuis la valeur initiale jusqu’à la valeur de coupure VC.
En particulier, lors de la première étape 110, il existe au moins une plage temporelle pendant laquelle la tension V1 présente la valeur de coupure VC et la deuxième portion 20 est illuminée avec le rayonnement. Cette plage temporelle présente une durée supérieure ou égale à 1 nanoseconde (ns), par exemple comprise entre 10 ns et 100 microsecondes (ps).
Par exemple, la tension V1 est maintenue à la valeur de coupure VC avant que la première portion 20 soit illuminée avec le rayonnement. En variante, l’illumination commence avant la modification de la valeur de la tension V1 .
Il est à noter que, dans le cas où la modification de la tension V1 a lieu avant que l’illumination ne commence, l’extension de la zone de déplétion 70 ne varie pas avant que l’illumination ne commence.
En effet, la taille de la zone de déplétion dépend de la capacité des porteurs libres des deux types (trous et électrons libres) à se déplacer dans la jonction p-n pour se recombiner, ce qui résulte en une zone de déplétion 70 dépourvue de porteurs libres en quantité significative.
Dans le cas présent, puisque la température de la deuxième portion 20 est telle que l’énergie thermique disponible pour les porteurs est nettement inférieure à l’énergie d’ionisation, très peu de porteurs libres y sont naturellement présents parce que très peu de dopants peuvent s’ioniser thermiquement et ainsi libérer leurs porteurs. Ainsi, bien que l’effet de champ causé par les deux contacts 25, 30 et la tension V1 entre eux devrait tendre à augmenter la dimension de la zone de déplétion 70, cela ne se produit pas dans les faits.
La première étape de modification 120 a lieu pendant la plage temporelle où la deuxième portion 20 est illuminée et la tension V1 présente la valeur de coupure VC.
Cette plage temporelle est visible sur la figure 3 et indiquée par une flèche 210.
Puisque le rayonnement présente une énergie de photon supérieure ou égale à l’énergie d’ionisation, des dopants s’ionisent en absorbant une partie du rayonnement et libèrent ainsi des porteurs libres dans la deuxième portion 20.
Ainsi, l’illumination avec le rayonnement, ainsi que la présence de la deuxième tension V1 à sa valeur de coupure VC, entraînent la modification de l’extension de la zone de déplétion 70. Notamment, la zone de déplétion 70 voit au moins une de ses dimensions augmenter jusqu’à couper le passage de courant entre le premier contact 25 et le troisième contact 35. Le transistor est alors non-passant. En conséquence, la densité de courant I mesurée diminue grandement par rapport à l’étape initiale, et est de l’ordre de 10-7mA /mm.
En particulier, la zone de déplétion s’étend depuis la deuxième face 68 jusqu’à la première face 67 sous l’effet de la tension V1 et de l’illumination.
Lors l’étape d’arrêt 130, l’illumination est arrêtée. Par exemple, le contrôleur 45 arrêt d’alimenter électriquement l’émetteur 40.
L’arrêt de l’illumination rend la deuxième portion 20 à nouveau isolante électriquement, puisque ses dopants ne peuvent plus compter que sur l’énergie thermique, insuffisante, pour s’ioniser.
L’arrêt de l’illumination est indiqué par la flèche 220 sur la figure 3.
Lors de la deuxième étape de modification 140, la tension V1 est modifiée depuis sa valeur de coupure jusqu’à sa valeur initiale.
Puisque la deuxième portion 20 est électriquement isolante en l’absence d’illumination, la zone de déplétion 70 reste à sa dimension maximale et empêche donc le passage du courant entre le premier contact 25 et le troisième contact 35.
Cela est visible dans la zone indiquée par la flèche 230 sur la figure 30, où bien que, comme dans l’étape initiale 100, la tension V1 soit nulle et aucune illumination ne soit présente, la densité de courant I mesurée reste environ 6 ordres de grandeur inférieure à ce qu’elle est dans l’étape initiale 100 (voir flèche 200).
Lors de la deuxième étape d’illumination 150, la deuxième portion 20 est illuminée avec le rayonnement, la tension V1 restant à la valeur initiale.
L’ionisation des dopants de la deuxième portion 20 par le rayonnement entraîne alors la modification de la dimension de la zone de déplétion 70.
Notamment, la dimension de la zone de déplétion 70 revient à sa valeur initiale (i.e la valeur au cours de l’étape initiale 100). Ainsi, le courant peut à nouveau circuler entre le premier contact 25 et le troisième contact 35 sous l’effet de la tension V2. Cela apparaît au niveau de la flèche 240 sur la figure 3, la densité de courant I revenant à son niveau initial.
Les étapes 100 à 150 sont, par exemple, itérées autant que de besoin pendant le fonctionnement du dispositif 10.
Grâce à l’invention, la dimension de la zone de déplétion 70 n’est modifiée que lorsque la deuxième portion 20 est illuminée avec le rayonnement, indépendamment de la valeur de la tension V1 .
Ainsi, le dispositif 10 bascule entre ses deux états (correspondant aux deux dimensions de la zone de déplétion 70) de manière non-volatile. En particulier, les inventeurs ont pu mesurer que, en l’absence d’illumination, le transistor reste dans son état non-passant, même avec une tension V1 égale à zéro, pendant 48 heures à 297 K, le début de l’illumination entraînant une augmentation de plus de 4 ordres de grandeur du courant. A 373 K, plus de trois ordres de grandeur de différence sont observés lorsque la deuxième portion 20 est illuminée au bout d’une heure.
Notamment, le dispositif 10 reste dans chacun de ses états même en l’absence de tension électrique (i.e lorsque V1 est égale à zéro). La valeur de la tension V1 n’a, en fait, d’importance que lorsque la deuxième portion 20 est illuminée.
Il en résulte que le dispositif 10 ne requiert d’alimentation électrique (outre par exemple une éventuelle tension V2) que lorsqu’il est désiré de faire basculer le dispositif d’un état à l’autre, puisqu’il faut alors au moins générer le rayonnement et, le cas échéant, appliquer la tension V1 , avec sa valeur de coupure VC, entre les contacts 25 et 30.
Ainsi, la consommation énergétique du dispositif 10 est réduite.
Il est à noter que l’invention réside notamment dans le choix d’une combinaison entre la température de fonctionnement du dispositif 10 et l’énergie d’ionisation de la deuxième portion 20, qui empêche la deuxième portion 20 d’être conductrice à cette température sous l’effet de la seule énergie thermique. En d’autres termes, le dopage de la deuxième portion est trop profond pour être fonctionnel en l’absence de rayonnement à la température de fonctionnement désirée. Un tel dopage serait donc considéré comme inutile et inefficace pour l’homme du métier dans des dispositifs de l’état de la technique dépourvus d’émetteur.
Si l’énergie de photon est strictement inférieure à la valeur de la bande interdite de la deuxième portion 20, seuls les dopants absorbent le rayonnement, qui peut alors illuminer profondément la deuxième portion puisqu’il est peu absorbé par celle-ci. L’intensité du rayonnement émis est donc faible et la consommation énergétique réduite.
La présence d’un thermorégulateur 50 permet de maintenir la deuxième portion 20 à une température dans laquelle les dopants ne sont que faiblement ionisés thermiquement, et ainsi d’utiliser une large gamme de matériaux semi-conducteurs possibles.
Lorsque l’énergie d’ionisation est supérieure ou égale à 0,4 eV, le dispositif 10 est susceptible d’être dépourvu de thermorégulateur 50, puisque, à température ambiante (de l’ordre de 20-30°C), les dopants de la deuxième portion 20 ne sont que très faiblement ionisés.
Le diamant notamment présente une bande interdite très large, et permet donc la sélection de dopants présentant des énergies d’ionisation élevées, notamment l’azote, dont l’énergie d’ionisation est de 1,7 eV ou le phosphore dont l’énergie d’ionisation est de 1,2 eV. De tels dispositifs 10, notamment de tels transistors, sont avantageusement utilisables par exemple dans des mémoires, les informations stockées en mémoire l’état par exemple sous la forme d’un état passant ou non du transistor (par exemple, un transistor passant indique une valeur « 0 » et un transistor non-passant un état « 1 », ou vice-versa).
La faible consommation des transistors 10 les rend particulièrement adaptés pour former une partie d’un module, par exemple d’une mémoire ou d’un multiplexeur, d’un implant destiné à être implanté dans le corps d’un patient ou d’un animal, par exemple dans le cerveau.
Par exemple, utiliser les transistors 10 pour réaliser un multiplexeur temporel reliant diverses électrodes à un module de traitement d’informations, ce multiplexeur étant prévu pour relier successivement au module de traitement d’informations les différentes électrodes de manière à permettre un multiplexage des signaux échangés entre les électrodes et le module de traitement.
Notamment, le diamant est un matériau biocompatible et serait donc particulièrement adapté à une telle implantation, puisqu’une mise en contact du dispositif 10 avec les fluides corporels par exemple ne serait alors pas dommageable pour le patient ni pour le fonctionnement du dispositif 10.
Bien qu’un exemple du dispositif 10 sous la forme d’un transistor 10 soit représenté sur les figures et décrit précédemment, il apparaîtra à l’homme du métier que l’invention est susceptible d’être appliquée à d’autres types de dispositifs 10. En particulier, la modification de l’extension de la zone de déplétion n’est pas nécessairement utilisée pour permettre ou bloquer le passage d’un courant électrique.
Par exemple, le dispositif 10 est un générateur de photons uniques et comporte, dans la première portion 15, un centre XV.
Ces défauts sont formés par un atome (X) substitué à un atome de carbone dans la maille cristalline et couplé à une lacune adjacente (V pour « vacancy » signifiant « lacune » en français). X est le symbole générique de l’atome substitué à l’atome de carbone (par exemple N, Si, Sn, etc).
De tels centres peuvent présenter plusieurs états en fonction de leur charge. En particulier, leur état peut varier en fonction du niveau de Fermi local, et donc être modifié selon que le centre XV est situé dans la zone de déplétion 70 ou non.
Par l’excitation d’un centre XV, il est possible d’obtenir l’émission de photons uniques, notamment, qui trouvent leur application pour la communication quantique ou encore la cryptographie.
Le centre NV est, par exemple, prévu pour être excité optiquement par des sources de lumières visibles afin de réaliser une transition de l’état fondamental vers l’état excité. L'intensité des signaux optiques de luminescence des centres NV- est sensible aux perturbations extérieures telles que la température, les déformations du cristal et les champs magnétique et électrique. L'intensité de la luminescence peut être utilisée de manière quantitative pour mesurer une de ces grandeurs physiques à température ambiante. On peut obtenir un centre NV- à partir d'un centre NV° en modifiant le niveau de Fermi, ce qu'on réalise de façon non volatile grâce à cette invention.
Dans le cas du dispositif 10, les contacts 25 et 30 sont configurés pour que, en présence du rayonnement 20, lorsque la tension V1 présente sa valeur initiale, le centre XV est situé hors de la zone de déplétion 70, et le centre XV est inclus dans la zone de déplétion 70 lorsque la tension V1 présente la valeur de coupure VC.
Ainsi, l’état du centre XV, notamment son état de charge, est modifié par le contrôle de la tension V1 lorsque le rayonnement illumine la deuxième portion 20, et est conservé inchangé en l’absence du rayonnement, quelle que soit la valeur de la tension V1.
Comme dans le cas des transistors, il en découle une diminution de la consommation électrique par rapport à des générateurs de photons uniques de l’état de la technique.
Il est à noter que les générateurs de photons uniques de ce type sont, par exemple, dépourvus de troisième contact 35.
Selon une autre variante possible, le dispositif 10 est un transistor de type MOSFET, notamment d’un MOSFET fonctionnant en inversion, la première portion 15 étant une portion du substrat portant le transistor. Ainsi, l’extension de la zone de déplétion permet de polariser le substrat de manière non-volatile et donc de modifier la tension de seuil, pour laquelle un canal de conduction entre le drain et la source apparaît.
Il est également à noter que la géométrie du dispositif 10 est susceptible de varier. Par exemple, une pluralité de deuxièmes portions 20 sont susceptibles d’être présentes, ces deuxièmes portions étant connectées chacune à un deuxième contact 30 correspondant, les deuxièmes contacts 30 étant, par exemple électriquement reliés les uns aux autres de manière à présenter le même potentiel électrique. Dans ce cas, la première portion 15 est, par exemple, interposée entre plusieurs deuxièmes portions 20, de sorte que les zones de déplétion 70 des deuxièmes portions 20, lorsque la tension V1 présente la valeur de coupure VC, s’étendent les unes vers les autres jusqu’à fusionner et ainsi former, sur toute une section de la première portion 15, une barrière au passage du courant entre les contacts 25 et 35.
Selon une autre variante, la deuxième portion 20 est une portion ou l’intégralité d’un substrat portant la première portion 15, le contact 30 étant alors, par exemple, disposé sur une face du substrat opposée à la face portant la première portion 15.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif optoélectronique (10) comportant une première portion (15), une deuxième portion (20), un premier contact (25) et un deuxième contact (30), la première portion (15) étant réalisée en un premier matériau semi-conducteur présentant un premier type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, la deuxième portion (20) étant en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, le deuxième type de dopage étant différent du premier type de dopage, la première portion (15) et la deuxième portion (20) étant en contact l’une avec l’autre et formant une jonction p/n comportant une zone de déplétion (70) dans la première portion (15), le premier contact (25) étant électriquement connecté à la première portion (15), le deuxième contact (30) étant électriquement connecté à la deuxième portion (20), le premier contact (25) et le deuxième contact (30) étant configurés pour que, lorsqu’une tension électrique (V1) est appliquée entre le premier contact (25) et le deuxième contact (30), une dimension de la zone de déplétion (70) dépend d’une valeur de la tension électrique (V1), une énergie d’ionisation étant définie pour des dopants de la deuxième portion (20), l’énergie d’ionisation étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie des dopants et un niveau d’énergie de la bande de conduction pour un matériau de type n et étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie de la bande de valence et un niveau d’énergie des dopants pour un matériau de type p, le dispositif optoélectronique (10) comportant, en outre, un émetteur (40) configuré pour générer un rayonnement électromagnétique présentant une énergie de photon supérieure ou égale à l’énergie d’ionisation des dopants de la deuxième portion (20) et pour illuminer la deuxième portion (20) avec le rayonnement.
2. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel l’énergie de photon est strictement inférieure à une valeur de bande interdite de la deuxième portion (20), la valeur de bande interdite étant une différence d’énergie entre une bande de conduction et une bande de valence de la deuxième portion (20).
3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1 ou 2, comportant, en outre, un thermorégulateur (50) configuré pour maintenir une température de la deuxième portion (20) à une valeur telle que l’énergie thermique des porteurs dans la deuxième portion (20) soit inférieure ou égale à un dixième de l’énergie d’ionisation.
4. Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant, en outre, un contrôleur (45) configuré pour commander la génération du rayonnement par l’émetteur (40) et pour modifier une valeur de tension (V1 ) entre le premier contact (25) et le deuxième contact (30) pendant que la deuxième portion (20) est illuminée avec le rayonnement.
5. Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, le dispositif optoélectronique (10) étant un transistor et comportant en outre un troisième contact électrique (35), le troisième contact électrique (35) étant électriquement connecté à la première portion (15), le premier contact (25) étant une source, le deuxième contact (30) étant une grille et le troisième contact (35) étant un drain du transistor, le premier contact (25) et le deuxième contact (30) étant configurés pour que pour une valeur donnée de la tension (V1 ) entre le premier contact (25) et le deuxième contact (30), la zone de déplétion (70) empêche le passage de porteurs de charge, dans la première portion (15), entre le premier contact (25) et le troisième contact (35).
6. Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’énergie d’ionisation est supérieure ou égale à 0,4 électron-volts, notamment supérieure ou égale à 1 électron-volt, en particulier supérieure ou égale à 1 ,5 électron-volt.
7. Dispositif optoélectronique selon la revendication 6, dans lequel le deuxième matériau est le diamant.
8. Dispositif optoélectronique selon la revendication 7, dans lequel les dopants du deuxième matériau sont des atomes d’azote.
9. Dispositif optoélectronique selon la revendication 7, dans lequel les dopants du deuxième matériau sont des atomes de phosphore.
10. Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comportant au moins un centre NV dans la première portion (15), le premier contact (25) et le deuxième contact (30) étant configurés pour que, pour une première valeur de la tension (V1) entre le premier contact (25) et le deuxième contact (30), la zone de déplétion (70) inclut le centre NV et, pour une deuxième valeur de la tension (V1 ), la zone de déplétion (70) n’inclut pas le centre NV.
11. Générateur de photons uniques comportant un dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 10.
12. Mémoire comportant au moins un transistor (10) selon la revendication 5, la mémoire étant configurée pour stocker au moins une information sous la forme d’un état passant ou non-passant du transistor.
13. Multiplexeur temporel comportant au moins un transistor (10) selon la revendication 5.
14. Implant propre à être implanté dans un corps humain ou animal, comportant un multiplexeur selon la revendication 13 et/ou au moins un transistor (10) selon la revendication 5.
15. Procédé d’opération d’un dispositif optoélectronique (10) comportant une première portion (15), une deuxième portion (20), un premier contact (25) et un deuxième contact (30), la première portion (15) étant réalisée en un premier matériau semi- conducteur présentant un premier type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, la deuxième portion (20) étant en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième type de dopage parmi le dopage de type n et le dopage de type p, le deuxième type de dopage étant différent du premier type de dopage, la première portion (15) et la deuxième portion (20) étant en contact l’une avec l’autre et formant une jonction p/n comportant une zone de déplétion (70) dans la première portion (15), le premier contact (25) étant électriquement connecté à la première portion (15), le deuxième contact (30) étant électriquement connecté à la deuxième portion (20), une énergie d’ionisation étant définie pour des dopants de la deuxième portion (20), l’énergie d’ionisation étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie des dopants et un niveau d’énergie de la bande de conduction pour un matériau de type n et étant une différence d’énergie entre un niveau d’énergie de la bande de valence et un niveau d’énergie des dopants pour un matériau de type p, le procédé comportant une première étape (100) au cours de laquelle une tension électrique (V1) entre le premier contact (25) et le deuxième contact (30) présente une première valeur et la zone de déplétion (70) présente une dimension initiale, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de :
Illumination (110) de la deuxième portion (20) avec un rayonnement électromagnétique présentant une énergie de photon supérieure à l’énergie d’ionisation des dopants de la deuxième portion (20) et modification de la tension électrique (V1) depuis la première valeur jusqu’à une deuxième valeur pendant que la deuxième portion (20) est illuminée,
- modification (120) de la dimension de la zone de déplétion (70) en réponse à la modification de la valeur de la tension électrique (V1), - arrêt (130) de l’illumination, modification (140) de la tension (V1) depuis la deuxième valeur jusqu’à la première valeur en l’absence d’illumination, la dimension de la zone de déplétion (70) restant inchangée, et
- illumination (150) de la deuxième portion (20) avec le rayonnement, la tension (V1) présentant la première valeur, et modification en réponse de la dimension de la zone de déplétion (70) jusqu’à la dimension initiale.
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