FR2671882A1 - Dispositif de conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'energie superieure a celle de ce rayonnement infrarouge. - Google Patents

Abstract

Il comprend une structure semiconductrice multicouche (4) comportant au moins deux couches dans lesquelles il est possible de confiner respectivement un gaz d'électrons et un gaz de trous que l'on régénère par des moyens appropriés (6) en cours d'utilisation du dispositif. Il existe au moins un état électronique délocalisé dans la structure, à une énergie supérieure à l'énergie de l'état fondamental du gaz d'électrons, la différence entre ces énergies étant dans le domaine infrarouge. Lorsque la structure est éclairée sous une incidence non-normale par un rayonnement (10) dont l'énergie est égale à cette différence, la structure émet un rayonnement (14) d'énergie supérieure, par recombinaison radiative impliquant les trous. Application aux systèmes d'imagerie infrarouge.

Description

i

DISPOSITIF DE CONVERSION D'UN RAYONNEMENT INFRAROUGE

EN UN AUTRE RAYONNEMENT D'ENERGIE SUPERIEURE A CELLE

DE CE RAYONNEMENT INFRAROUGE

DESCRIPTION

La présente invention concerne un dispositif de conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'énergie supérieure à celle de ce rayonnement infrarouge Elle s'applique notamment à la

réalisation de systèmes d'imagerie infrarouge.

On connaît déjà, par l'article de E. ROSENCHER et a L, publié dans Electronics Letters N 016, vol 25, p 1063 ( 1989), un dispositif à un puits quantique, à trois niveaux équidistants, ce dispositif permettant de doubler la fréquence d'un rayonnement infrarouge. La présente invention a pour objet un dispositif semiconducteur de conversion dont on peut choisir les paramètres lors de sa fabrication, de façon qu'il soit apte à convertir un rayonnement infrarouge d'énergie El déterminée à l'avance, en un autre rayonnement infrarouge ou visible, d'énergie E 2 supérieure à El et déterminée à l'avance de façon

sensiblement indépendante de El.

L'invention permet par exemple de convertir un rayonnement dont la longueur d'onde est comprise dans le domaine allant de 4 à 40 micromètres environ, en un autre rayonnement dont la longueur d'onde est comprise dans le domaine allant de 0,7 à 1,5 micromètre environ. Le dispositif objet de l'invention est réalisable de façon à avoir un rendement, en nombre de photons, proche de 50 % et un temps de réponse de

l'ordre de 1 ns.

De façon précise, La présente invention a pour objet un dispositif de conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'énergie supérieure à celle de ce rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend une structure semiconductrice multicouche comportant au moins une première couche semiconductrice et au moins une deuxième couche semiconductrice dans lesquelles sont confinés respectivement un gaz d'électrons et un gaz de trous, ou dans lesquelles il est possible de confiner respectivement un gaz d'électrons et un gaz de trous, la structure étant telle qu'il existe au moins un état électronique délocalisé dans au moins la première et la deuxième couches, cet état délocalisé ayant une énergie supérieure à celle des électrons du gaz d'électrons, la différence entre l'énergie de l'état délocalisé et cel Le de l'état fondamental du gaz d'électrons étant dans le domaine infrarouge, de sorte que lorsque la structure est éclairée de façon non perpendiculaire aux couches par un premier rayonnement qui est dans le domaine infrarouge et dont l'énergie est égale à la différence entre L'énergie de l'état délocalisé et celle de l'état fondamental du gaz d'électrons, cette structure émet un deuxième rayonnement d'énergie supérieure à celle du premier, par recombinaison radiative impliquant Les trous du gaz de trous, et en ce que le dispositif comprend en outre des moyens pour régénérer, ou pour engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite, le gaz d'électrons et

le gaz de trous.

Comme on le comprendra mieux par La suite, lorsque le dispositif est tel que le gaz d'électrons et le gaz de trous soient, avant utilisation du dispositif, (sensiblement) confinés dans les couches correspondantes, i L convient, au bout d'un certain temps, de régénérer ces gaz d'électrons et de trous à

l'aide des moyens prévus à cet effet.

Lorsque le dispositif est tel que, avant son utilisation, le gaz d'électrons et le gaz de trous ne sont pas présents dans les couches correspondantes, il convient de les engendrer et de les régénérer au bout d'un certain temps, à l'aide des moyens prévus à cet effet. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, la structure est une structure symétrique dont la première et la deuxième couches forment respectivement des puits quantiques couplés, de même profondeur et dopés, leurs dopages respectifs étant de types opposés, le dispositif comprenant alors des moyens pour régénérer le gaz d'électrons et le gaz de trous. Dans ce cas, dans une réalisation particulière, la première couche est faite d'un matériau semiconducteur à dopage de type N, la deuxième couche est faite de ce même matériau semiconducteur mais avec un dopage de type P, et la première couche et la deuxième couche sont séparées par une troisième couche semiconductrice non dopée intentionnellement et formant une barrière de potentiel pour les électrons et pour les trous, l'ensemble comprenant la première, la deuxième et la troisième couches étant encadré par deux couches semiconductrices non dopées intentionnellement, formant des barrières de potentiel pour les électrons

et pour les trous.

Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, la structure est une structure asymétrique, ou susceptible d'être rendue telle, dont la première et la deuxième couches forment respectivement des puits quantiques couplés, non dopés intentionnellement, o Le niveau fondamental d'électrons et le niveau fondamental de trous sont, ou sont susceptibles d'être, majoritairement confinés respectivement dans la première et la deuxième couches, le dispositif comprenant alors des moyens pour engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite le gaz

d'électrons et le gaz de trous.

Pour augmenter l'efficacité de l'absorption du premier rayonnement, on peut utiliser diverses réalisations particulières séparément ou en combinaison la structure peut comprendre une pluralité de motifs, chaque motif comportant la première et La deuxième couches semiconductrices, la structure peut reposer sur un substrat transparent aux premier et deuxième rayonnements et comporter une surface libre qui est rendue optiquement réflectrice vis-à-vis du premier rayonnement, la structure peut reposer sur un substrat qui est transparent au premier rayonnement et dont une extrémité est biseautée et destinée à recevoir ce

premier rayonnement.

Enfin, lesdits moyens peuvent être des moyens d'éclairement prévus pour éclairer la structure par un rayonnement apte à régénérer, ou engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite, le gaz

d'électrons et le gaz de trous.

La présente invention sera mieux comprise à

la lecture de la description d'exemples de réalisation

donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, la figure 2 illustre schématiquement un empilement de couches semiconductrices permettant La mise en oeuvre de l'invention (A) ainsi que la structure de bande associée à cet empilement (B), la figure 3 illustre schématiquement Les processus élémentaires conduisant à la conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'énergie supérieure à celle de ce rayonnement infrarouge, à l'aide d'un dispositif conforme à L'invention, comportant l'empilement représenté sur la figure 2, la figure 4 illustre schématiquement la structure de la bande de conduction et la forme des fonctions d'onde de différents niveaux d'énergie lors de l'arrêt du dispositif comportant cet empilement, la figure 5 illustre schématiquement les processus élémentaires intervenant dans l'opération de régénération du gaz d'électrons et du gaz de trous dans ce dispositif, par des moyens d'éclairement appropriés, la figure 6 illustre schématiquement la structure de bande d'un autre dispositif conforme à l'invention, comportant une structure semiconductrice asymétrique et non dopée, cette structure de bande étant représentée avant génération des gaz d'électrons et de trous (A) et après cette génération (B), la figure 7 illustre schématiquement un autre dispositif conforme à l'invention, comportant une structure semiconductrice dont une surface libre est optiquement réflectrice vis-à-vis du rayonnement infrarouge que l'on veut convertir, la figure 8 illustre schématiquement un autre dispositif conforme à l'invention, comportant une structure semiconductrice sur un substrat biseauté et transparent au rayonnement infrarouge que l'on veut convertir, et La figure 9 illustre schématiquement un autre empilement de couches que L'on peut utiliser dans La présente invention (A) et les différents puits et barrières que l'on obtient avec cet empilement (B). Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif de conversion conforme à l'invention, qui comprend, sur un substrat 2, une structure semiconductrice multicouche appropriée 4 dont Les couches sont empilées suivant un axe Z et dont des

exemples seront donnés par la suite.

Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend également une source lumineuse 6 destinée à éclairer la structure par un rayonnement permettant de régénérer, dans la structure, un gaz d'électrons et un gaz de trous nécessaires à La conversion Des moyens appropriés 8 sont prévus pour commander la source lumineuse 6 de façon que celle-ci éclaire, en général

périodiquement, la structure 4.

Le rayonnement infrarouge 10 que l'on veut convertir est envoyé sur la structure 4 de façon non perpendiculaire aux couches de cette structure 4:

l'angle d'incidence i de ce rayonnement n'est pas nul.

Cet angle i résulte d'un compromis entre la nécessité de bien faire pénétrer le rayonnement 10 dans la structure et la nécessité de bien faire absorber ce rayonnement 10 par cette structure L'angle i peut être

égal à l'angle de BREWSTER relatif à la structure 4.

On voit aussi sur la figure 1 des moyens 12 de détection du rayonnement 14 résultant de la conversion du rayonnement 10 par la structure 4 Ces

moyens de détection 12 sont par exemple placés au-

dessus de cette structure 4.

Le dispositif représenté sur la figure 1 peut faire partie d'un système d'imagerie d'infrarouge Dans ce cas, le dispositif permet de convertir une image infrarouge en une image du proche infrarouge ou en une image visible L'image obtenue peut être reportée optiquement sur une matrice de photodétecteurs ou d'amplificateurs de lumière, qui est commercialement disponible et qui constitue alors les moyens de

détection 12.

On précise que la structure semiconductrice multicouche 4, qui est en fait une hétérostructure, satisfait aux conditions suivantes: présence dans cette structure d'au moins une première couche contenant un gaz d'électrons et d'au moins une deuxième couche contenant un gaz de trous, existence d'un état électronique délocalisé dans au moins cette première et cette deuxième couches contenant respectivement un gaz d'électrons et un gaz

de trous.

Les propriétés élémentaires de l'hétérostructure qui sont mises en jeu au cours de l'opération de conversion sont les suivantes: le phénomène d'absorption inter-minibandes à l'énergie E 1 (énergie du rayonnement à convertir) dans l'hétérostructure, phénomène qui permet de promouvoir un électron à partir du niveau fondamental du gaz d'électrons jusqu'à l'état excité délocalisé mentionné précédemment, le phénomène de recombinaison radiative à l'énergie E 2 (énergie du rayonnement 14 émis par la structure), qui peut intervenir si l'électron est

transféré dans une couche contenant un gaz de trous.

Puisque, au cours du fonctionnement du dispositif de la figure 1, un transfert de charges a lieu dans la structure 4, à partir de la (ou les) couche(s) contenant des électrons vers la (ou les) couche(s) contenant des trous, il se produit une polarisation de la structure au cours de ce fonctionnement. C'est pourquoi le dispositif de la figure 1 comporte la source Lumineuse 6 qui est par exemple une lampe de forte puissance et qui est choisie de façon à émettre un rayonnement d'énergie supérieure ou égale à E 1 +E 2 en direction de la structure, pour "effacer" la polarisation et régénérer ainsi le dispositif de

conversion.

Généralement cette régénération est périodique, la fréquence d'éclairement de la structure 4 par la source 6 étant fonction de l'intensité du

rayonnement infrarouge incident 10.

En fait, comme on L'a déjà indiqué, dans certaines structures conformes à l'invention, le gaz d'électrons et le gaz de trous n'existent pas naturellement dans de telles structures et doivent donc être engendrés en vue de cette utilisation A cet effet, on se sert de la source 6 qui est ensuite

utilisée pour la régénération du dispositif.

On explique ci-après en détail le fonctionnement d'un dispositif de conversion conforme à l'invention dans Le cas d'une structure semiconductrice

simple.

La figure 2-A illustre schématiquement cette structure qui est un empilement de cinq couches semiconductrices différentes 16, 18, 20, 22 et 24 empilées dans cet ordre Les unes sur les autres et

formant un puits double.

Les couches 16 et 24 sont des couches identiques, non dopées intentionnellement et formant chacune une barrière de potentiel pour Les électrons (barrière B) et pour Les trous, la couche 16 reposant

sur le substrat 2.

La couche centra Le 20 est une couche semiconductrice non dopée intentionnellement, formant une barrière de potentiel intermédiaire pour les électrons (b) et pour les trous, qui sépare Les deux puits de la structure et dont la hauteur est, pour Les électrons, inférieure à celle de la barrière B. Les couches 18 et 22 forment respectivement des puits Pl et P 2 et le dopage de La couche 18 est de type N tandis que la couche 22 est faite du même matériau semiconducteur que la couche 18 mais a un dopage de type P De plus, les deux puits Pl et P 2 ont

la même largeur et la même profondeur.

On voit sur la figure 2-B un diagramme représentant l'énergie E des électrons de la structure de la figure 2-A et la configuration de la bande de conduction BC et la configuration de la bande de valence BV associées à cette structure en fonction de La position sur l'axe Z orienté de la couche 16 vers la

couche 24.

Les première, deuxième et troisième minibandes d'électrons de la structure de La figure 2-A portent respectivement les références el, e 2 et e 3 Les niveaux de p Lus basses énergies des minibandes el, e 2 et e 3 portent respectivement Les références Il>, 12 > et

13 >.

On a également représenté les fonctions d'onde del, de 2 et de 3 correspondant respectivement aux

niveaux Il>, | 2 > et 13 >.

On voit également sur la figure 2-B les donneurs ionisés DI de La couche 18 et le gaz d'électrons GE qui peuple La minibande el à partir du

niveau Il>.

On voit aussi sur la figure 2-B la première minibande de trous tl et La deuxième minibande de trous t 2 dans la bande de valence BV et les fonctions d'onde dtl et dt 2 correspondant respectivement au niveau fondamental de la minibande tl et au niveau fondamental

de la minibande t 2.

Les accepteurs ionisés dans la couche 22 portent la référence AI et, dans cette couche 22, un gaz de trous peuple la minibande t 2 à partir du niveau

fondamental de celle-ci.

Les paramètres de la structure de la figure 2-A (largeurs et hauteurs respectives de la barrière intermédiaire que constitue la couche 20 et des puits Pl et P 2) sont ajustés de façon que, en l'absence de transfert de charge de puits à puits, les niveaux I 1 > et 12 > d'électrons de la structure soient essentiellement localisés dans les puits Pl et P 2 respectivement Pour une large barrière intermédiaire (couche 20), ce résultat est obtenu dès que ces niveaux présentent une petite différence d'énergie l'un par rapport à l'autre car, alors, leur couplage par effet

tunnel est négligeable.

De plus, la structure est telle que le niveau 13 > soit à une énergie supérieure à la hauteur de la barrière intermédiaire b et donc délocalisé dans le double puits En fait, ce niveau 13 > pourrait être à une énergie légèrement inférieure à la hauteur de la

barrière intermédiaire b.

Les conditions posées aux deux paragraphes précédents sont assez faciles à remplir et l'on indiquera par la suite plusieurs séries de matériaux et de paramètres répondant à ces conditions pour divers

couples El, E 2.

Dans les quatre exemples de structures semiconductrices symétriques donnés par la suite, on empile les couches sur un substrat fait d'un matériau compatible avec le matériau constitutif des couches 16 et 24 et l'empilement des cinq couches est par exemple 1 1

obtenu par épitaxie par jets moléculaires (MBE).

Pour illustrer de façon détaillée le fonctionnement d'un dispositif conforme à l'invention, comportant un empilement du genre de celui de la figure 2-A, on choisit les paramètres suivants: Premier exemple de structure semiconductrice Conversion d'un rayonnement de 144 me V ( 8,6 micromètres) en un rayonnement de 1,602 e V ( 0,77 micromètre) couches 16, 24: Ga Al As

0,6 0,4

17 -3

couche 18: 6 nm de Ga As dopé N à 3,3 10 cm couche 20: 10 nm de Ga Al As

0,77 0,23

17 -3

couche 22: 6 nm de Ga As dopé P à 3,3 10 cm Substrat: Ga As Dans ce premier exemple, le gaz d'électrons et le gaz de trous ont tous les deux une densité

11 -2

surfacique de 2 10 cm La figure 2-B représente schématiquement la structure de bande du double puits obtenu, en l'absence de transfert de charge de puits à puits Il y a alors autant d'électrons que de donneurs ionisés dans la couche 18 et autant d'accepteurs ionisés que de trous

dans la couche 22.

Cette structure de bande est très proche d'une structure ayant les mêmes paramètres, mais non dopée, puisque les diverses couches ont une charge

globale neutre.

A propos de cette structure de bande, on remarquera que l'énergie d'échange pour le gaz d'électrons est voisine de 20 me V par électron Cette renormalisation de la position du niveau Il> décale l'énergie de ce dernier par rapport au niveau 12 > et découple donc totalement ces niveaux Il> et 12 >. De plus, la densité d'états associée à une minibande donnée d'un puits quantique est voisine de

2

états par cm et par me V. Le niveau de FERMI EF des électrons est donc

situé à 20 me V au-dessus du bas de cette minibande.

Cela signifie que les électrons situés au niveau de FERMI sont stables vis-à-vis d'un transfert dans le puits voisin (et restent donc dans le puits Pl en l'absence du rayonnement infrarouge 10 que l'on veut

convertir).

De même, les trous du gaz de trous occupant

des premiers états de la minibande t 2 sont stables vis-

à-vis de leur transfert vers la minibande tl.

La clé du fonctionnement du dispositif de conversion comportant la structure semiconductrice de la figure 2-A réside dans la possibilité d'absorber un

photon peu énergétique par une excitation inter-

minibandes qui promeut un électron d'un état de la minibande el, principalement localisé dans le puits P 1,

dans un état délocalisé de la minibande e 3.

Cet électron a un faible temps de relaxation (au plus quelques dizaines de picosecondes) vers les minibandes el ou e 2 et des chances très voisines l'une de l'autre de retomber dans un niveau fondamental du puits Pl ou du puits P 2 (état Il> ou état 12 >), puisque sa probabilité de présence est la même au voisinage de

l'un et l'autre puits.

Les processus de relaxation possibles sont le couplage inter- minibandes (émission d'un photon infrarouge) et la relaxation avec émission de phonons (ce dernier processus étant Le p Lus efficace si l'écart entre l'énergie du niveau 13 > et L'énergie du niveau | 1 > ou du niveau 12 > est supérieur à L'énergie du phonon optique, énergie qui est de l'ordre de 35 à 40 me V). Les électrons ainsi capturés par Le puits P 2 se recombinent de façon radiative avec des trous du gaz

de trous qui est présent dans le puits P 2.

Il suffit donc d'ajuster les paramètres de La structure semiconductrice de façon que l'énergie El

corresponde à L'énergie de La transition inter-

minibandes (| 1 > vers 13 >) et que l'énergie E 2 corresponde à L'énergie de la transition inter-bandes entre le niveau 12 > et Le niveau fondamental de la

minibande de trous t 2.

Les différents processus élémentaires qui interviennent dans L'opération de conversion sont

récapitulés sur La figure 3.

Sur cette figure 3, on a symbolisé par une flèche ai l'absorption inter-minibandes (énergie El),

par des flèches rl et r 2 Les relaxations inter-

minibandes possibles et par une flèche Rl La recombinaison inter-bandes conduisant à l'émission, par la structure semiconductrice, d'un rayonnement

d'énergie E 2 supérieure à El.

En ce qui concerne la rapidité d'un tel dispositif de conversion, Les temps mis en jeu sont de l'ordre de 1 picoseconde pour le transfert (niveau Il> vers niveau 13 >) et de L'ordre de 1 nanoseconde pour La recombinaison radiative (niveau 12 > vers premier niveau de trous de la minibande t 2) C'est donc ce dernier

phénomène qui limite Le fonctionnement en fréquence.

Il s'agit d'un dispositif de conversion efficace En effet, environ un sur deux des photons d'énergie El, qui sont absorbés par la structure semiconductrice, est converti en un photon d'énergie E 2

dans la phase initiale de fonctionnement.

Comme on le verra par La suite, l'efficacité de La phase d'absorption peut être augmentée à volonté par l'augmentation du nombre de coup Les de puits ou par l'utilisation de passages multiples du faisceau

infrarouge incident sur la structure semiconductrice.

Les dispositifs ou configurations qui maximisent une telle absorption dans le cas des détecteurs d'infrarouge connus, à base d'hétérostructures semiconductrices, peuvent être

utilisés dans le cas présent.

Au cours du fonctionnement du dispositif de conversion, un champ électrique interne apparaît En effet, une charge globale Q positive exprimée en cou Lombs par cm, est engendrée dans le puits Pl et une charge opposée -Q est engendrée dans le puits P 2 Ces charges Q et -Q induisent une différence de potentiel DV entre les deux puits, de L'ordre de: DV = Q d/(E E) 0 r o d est l'épaisseur de la couche intermédiaire 20 et E et E représentent respectivement la constante O r diélectrique du vide et la permittivité relative de La

structure semiconductrice.

Une nouvelle configuration de la structure de bandes (schématisée pour la bande de conduction sur la figure 4) résulte de ce transfert de charges Les niveaux Il>, 12 > et 13 > sont respectivement transformés

en des niveaux | 1 >', 12 >' et 13 >'.

La forme de la densité de la probabilité de présence dans le niveau délocalisé 13 >' est également transformée; elle est p Lus forte au niveau du puits Pl qu'au niveau du puits P 2 L'efficacité du transfert des

électrons promus au niveau 13 >', vers P 2 diminue donc.

En conséquence, le fonctionnement du dispositif de conversion s'arrête: lorsque le gaz d'électrons est totalement déplété (cas o les puits sont peu dopés), ou lorsque le champ interne créé est si fort que l'on passe à un régime o le premier niveau d'électrons du puits P 2 (état 12 >) se délocalise dans

la structure.

Par ailleurs, à ce stade du fonctionnement du dispositif de conversion, les énergies des transitions

utiles (El, E 2) sont significativement perturbées.

Dans le cas du premier exemple donné plus 11 2 haut, lorsque Q est égal à 2 10 coulombs par cm (arrêt du fonctionnement par déplétion du gaz d'électrons), la différence de potentiel DV obtenue est de l'ordre de 28 m V. Les nouvelles positions I 1 >', 12 > ', 13 >' des niveaux électroniques, qui sont indiquées sur la figure 4, correspondent au cas o cette charge Q a été transférée. Il convient donc d'introduire une séquence de régénération du dispositif au cours de l'utilisation de

ce dernier.

Pour ce faire, on utilise une excitation optique de la structure semiconductrice à une énergie supérieure ou égale à E 1 +E 2, c'est-àdire supérieure à l'énergie des transitions inter-bandes impliquant le

premier niveau de trous et le niveau délocalisé 13 >'.

Des électrons sont ainsi photo-excités dans le niveau 13 >' et des trous photo-créés dans les minibandes tl et t 2 Les électrons occupant le niveau 13 >' ont une probabilité plus forte de se relaxer vers le niveau I 1 >' que vers le niveau 12 >', car leur probabilité de présence est beaucoup plus forte au

voisinage de la première couche (couche dopée N).

Après relaxation en bas de bande, c'est-à-

dire vers le niveau I 1 >' ou le niveau 12 >', les électrons photoexcités se recombinent avec les trous localisés dans le même puits. La situation d'équilibre atteinte au terme de la séquence de régénération optique est telle que les probabilités de relaxation des électrons du niveau 13 >'

vers les niveaux I 1 >' et 12 >' soient les mêmes.

La durée de la phase de régénération est de l'ordre de 1 nanoseconde pour l'irradiation (une puissance raisonnable de 1 k W/cm permettant de créer paires électrons-trous en une nanoseconde) et de l'ordre de 20 ns pour le temps mort nécessaire à la recombinaison de la quasi-totalité des électrons et des trous créés en large excès pendant la phase

d'excitation optique.

La situation est alors à nouveau celle de la

figure 2-B.

Cette technique d'excitation optique de la structure semiconductrice permet donc effectivement de

régénérer le dispositif de conversion.

Les différents processus élémentaires conduisant à l'opération de régénération sont

représentés schématiquement sur la figure 5.

Sur cette figure 5, la flèche EI représente l'excitation inter-bandes, les flèches RP et RP' représentent la relaxation des porteurs photo-créés et les flèches RR représentent la recombinaison radiative

des porteurs excédentaires.

La séquence de régénération porte la structure dans un état instable, hors d'équilibre, puisque le niveau de FERMI n'est pas à la même position

pour les deux puits Pl et P 2.

Le fonctionnement en tant que dispositif de conversion mis à part, deux phénomènes parasites tendent à ramener la structure semiconductrice à

l'équilibre thermodynamique.

L'un de ces phénomènes est la relaxation, dans le puits P 2, d'électrons excités thermiquement du niveau Il> au niveau 13 > Le taux de disparition d N/dt de la population N du gaz d'électrons est de l'ordre de

N.beta/tau o beta est le facteur de BOLTZMANN (exp(-

E 1/(k T))) pour le niveau 13 > et tau est le temps de relaxation inter-minibandes du niveau 13 > vers le

niveau 12 >.

Ce premier phénomène peut être limité en abaissant la température du fonctionnement du dispositif de conversion, sans aller jusqu'à la température Td de piégeage des électrons sur les donneurs. L'énergie de liaison d'un électron sur un donneur est comprise entre 3 et 6 me V et Td est de l'ordre de 30 K. Pour la structure semiconductrice correspondant au premier exemple donné plus haut, lorsque cette structure est à une température de 77 K, -9 beta est de l'ordre de 3 10 et tau est de l'ordre de quelques picosecondes Le temps caractéristiques de la fuite thermique que constitue le premier phénomène -3 parasite est de l'ordre de 10 seconde et est donc très grand devant le temps de réponse du dispositif de conversion. Le deuxième phénomène parasite est la recombinaison radiative entre électrons et trous des gaz confinés car la probabilité de présenceassociée à ces niveaux confinés est faible mais non nulle dans le

reste de La structure.

L'amplitude de ce second phénomène parasite est très faible dès que les premiers niveaux Il> et | 2 > des puits Pl et P 2 sont à des énergies qui diffèrent un

peu l'une de L'autre.

Pour le dispositif correspondant au premier exemple donné plus haut, une différence de 1 me V (respectivement 5 me V) entre ces énergies conduit à une durée de vie radiative 100 fois (respectivement 2000 fois) supérieure pour La transition inter-bandes impliquant le niveau Il> comparativement à La transition inter-bandes impliquant le niveau 12 > (La durée de vie radiative pour cette dernière transition

étant de l'ordre de 1 ns).

Si nécessaire, L'augmentation de L'épaisseur de la couche intermédiaire 20 permet de réduire encore (et très efficacement) l'amplitude de ce second

phénomène parasite.

On notera enfin que ce dernier ne joue éventue L Lement un rôle que dans la phase initiale de fonctionnement du dispositif de conversion puisque les niveaux Il> et | 2 > s'éloignent l'un de L'autre en énergie au cours du fonctionnement du dispositif entre

deux régénérations.

De plus, comme on l'a déjà indiqué, L'énergie d'échange au sein du gaz d'électrons suffit à

désaligner les niveaux Il> et 12 > (de 20 me V environ).

La durée de vie du gaz d'électrons associée à la recombinaison radiative directe avec le gaz de trous est donc toujours très grande devant Le temps de

réponse du dispositif de conversion.

On donne ci-après trois autres exemples de structures semiconductrices permettant de réaliser un dispositif de conversion conforme à la présente

invention pour d'autres couples d'énergie (El, E 2).

Une même va Leur de El peut en général être obtenue pour des hétérostructures fabriquées avec des familles différentes de semiconducteurs (par exemple Ga As/Ga Al As sur substrat de Ga As, ou (In Ga)As/(In AL)As

sur un substrat en In P).

Le choix d'une famille de semiconducteurs est par contre déterminant pour La valeur de E 2 puisque la recombinaison radiative a lieu au voisinage de l'énergie de bande interdite du matériau constitutif de

l'un des puits quantiques.

Deuxième exem 2 Le de structure semiconductrice Conversion du domaine infrarouge vers le domaine visible: E 1 = 144 me V ( 8,6 micromètres) et E 2 = 1,77 e V ( 0,70 micromètre) couches 16, 24: Ga Al As

0,5 0,5

couche 18: 6 nm de Ga A 11 As dopé N à 3,3 1017 -3 0,9 0,1 cm couche 20: 10 nm de Ga Al As

0,67 0,33

17 -3

couche 22: 6 nm de Ga AL As dopé P à 3,3 10 cm

0,9 0,1

Substrat: Ga As La configuration de bandes est la même que pour le premier exemple mais la composition d'aluminium a été augmentée de 10 % pour toutes les couches, de

façon à accroître l'énergie E 2 en préservant El.

Troisième exemgle de structure semiconductrice Conversion du domaine infrarouge lointain vers le domaine infrarouge proche couches 16, 24: Ga Al As

0,8 0,2

17 -3

couche 18: 12 nm de Ga As dopé N à 1,7 10 cm couche 20: 20 nm de Ga Al As

0,95 0,05

17 -3

couche 22: 12 nm de Ga As dopé P à 1,7 10 cm Substrat: Ga As Pour cette structure, E 1 vaut 31 me V ( 40 micromètres) et E 2 vaut 1,54 e V ( 0,8 micromètre) à

basse température (par exemple 77 K).

Quatrième exem Ple de structure semiconductrice Cet exemple montre que l'on peut également convertir un rayonnement infrarouge de plus courte

longueur d'onde.

couches 16, 24: (In Al)As

0,52 0,48

couche 18: 3,5 nm de (Ga In)As dopé N à 3 1017

-3 0,47 0,53

cm couche 20: 10 nm de (In Ga Al)As

0,52 0,05 0,43

couche 22: 3,5 nm de Ga In As dopé P à 3 10

-3 0,47 0,53

cm Substrat: In P Ici E 1 vaut 310 me V ( 4 micromètres) et E 2

vaut 1,055 e V ( 1,15 micromètre).

En ce qui concerne ce quatrième exemple, on notera que le choix d'un tel système d'alliages accordés en paramètre de maille à In P est particulièrement intéressant car le substrat n'est pas absorbant pour le rayonnement émis par le dispositif de

conversion correspondant.

Ceci permet d'extraire ce rayonnement par la face arrière du substrat c'est-à-dire La face de ce substrat qui est opposée à la face portant L'empilement

de couches semiconductrices.

Bien entendu, Les quatre exemp Les n'ont été donnés qu'à titre purement indicatif et nullement limitatif, d'autres familles de semiconducteurs pouvant être utilisées pour réa li ser des structures

semiconductrices conformes à la présente invention.

Etant donné que le coefficient d'absorption inter-minibandes varie avec La densité du gaz d'électrons, on peut augmenter ce coefficient et diminuer sa variation relative au cours de l'opération de conversion, à charge transférée constante, en augmentant la densité du gaz d'électrons et donc en

augmentant le dopage de type N de la couche 18.

Dans la présente invention, au lieu d'utiliser des puits couplés, symétriques et dopés (cas de la figure 2-B), on peut utiliser des puits couplés asymétriques et non dopés comme on Le voit sur la

figure 6-A.

Ceci permet d'éviter un piégeage des électrons sur Les donneurs aux basses températures requises pour un traitement de rayonnement infrarouge lointain. La structure de la figure 6-A est obtenue par un empilement de cinq couches semiconductrices, à savoir: deux couches semiconductrices aptes à former respectivement deux puits Pl et P 2, Pl (respectivement P 2) étant plus profond que P 2 (respectivement Pi) pour les électrons (respectivement pour les trous), une couche séparant les deux couches précédentes et formant une barrière de potentiel, ces trois couches étant non intentionnellement dopées, et deux couches qui encadrent les trois couches précédentes et forment respectivement deux

barrières de potentiel.

Les puits Pl et P 2 ont respectivement des niveaux électroniques localisés |I> et 12 > (bas de minibandes électroniques) tels que l'énergie du niveau

Il> soit inférieure à celle du niveau | 2 >.

Le niveau fondamental d'une minibande d'énergie supérieure est noté 13 > et délocalisé dans la structure, la densité de probabilité associée à ce niveau 13 > étant plus forte au voisinage du niveau 12 >

qu'au voisinage du niveau Il>.

Si on éclaire une telle structure à une énergie supérieure à celle des transitions inter-bandes impliquant le niveau déLocalisé 13 > et les premiers niveaux de trous It> (situés principalement dans La couche semiconductrice qui forme le puits P 2), la situation atteinte après irradiation et recombinaison des

porteurs excédentaires est représentée sur la figure 6-

B (la figure 6-A correspondant à la situation qui

existe avant une telle irradiation).

Un gaz de trous est créé dans P 2 et un gaz d'électrons est créé dans Pl et La densité de probabilité associée au niveau 13 > est

approximativement La même pour les deux puits Pl et P 2.

La structure semiconductrice asymétrique est ainsi préparée à fonctionner en tant que dispositif de conversion comme La structure semiconductrice correspondant aux figures 2-A et 2-B: absorption du niveau Il> vers Le niveau 13 >, relaxation du niveau 13 > vers Le niveau 12 > pour une part des électrons promus et recombinaison radiative avec des trous du gaz de

trous Loca Lisé dans P 2.

Un tel dispositif de conversion à structure semiconductrice asymétrique peut fonctionner jusqu'à de très basses températures (de l'ordre de 4 K) Il est donc particulièrement adapté au traitement d'un rayonnement infrarouge lointain mais convient également à toutes les autres applications de conversion que l'on peut envisager pour un dispositif conforme à

l'invention, à structure semiconductrice symétrique.

Pour obtenir une structure asymétrique du genre de celle de la figure 6A, on peut procéder de différentes façons: On peut par exemple utiliser un empilement de couches semiconductrices dont les matériaux sont tels que l'on obtienne la structure semiconductrice

asymétrique en question.

On peut par exemple utiliser une structure identique à celle du premier exemple donné plus haut excepté pour les couches 18 et 22, constituant les puits Pl et P 2, qui seraient constituées respectivement de 6 nm de Ga As non dopé et de 6 nm de

(Ga Al In)As non dopé.

0,9 0,04 0,06

Une autre façon de procéder consiste à réaliser une structure symétrique du genre de celle des figures 2-A et 2-B sans dopage des couches 18 et 22 et appliquer à une telle structure un champ électrique

* permettant de rendre les puits Pl et P 2 asymétriques.

Un tel champ électrique peut être obtenu pas des dopages localisés et de types opposés des couches

16 et 24.

Pour augmenter l'efficacité de la phase d'absoption à l'énergie El, on peut utiliser une structure semiconductrice comportant non pas un seul motif du type "couches 16-18-20-22-24 " mais un empilement du type suivant:

"couches 16-18-20-22-24-16-18-20-22-24- -

16-18-20-22-24 ".

Pour augmenter l'efficacité de la phase d'absorption à l'énergie El, on peut aussi rendre la face libre de l'empilement de couches semiconductrices (conduisant à une structure symétrique ou à une

structure asymétrique) optiquement réflectrice vis-à-

vis du rayonnement d'énergie El. A cet effet, on peut déposer sur la face libre de cet empilement (face opposée à celle qui repose sur le substrat 2) une couche métallique 26, par exemple en or, apte à réfléchir le rayonnement

d'énergie E 1 (figure 7).

On utilise alors un substrat 2 qui est transparent à ce rayonnement d'énergie E 1 et au rayonnement d'énergie E 2 ainsi qu'au rayonnement de la source lumineuse 6 et l'on expose alors la face arrière du substrat 2 (face opposée à celle qui porte l'empilement de couche semiconductrice) au rayonnement

, d'énergie El, sous une incidence convenable.

De même, on récupère le rayonnement d'énergie E 2 qui sort par cette face arrière et l'on éclaire la structure, en vue de sa régénération, en envoyant le rayonnement de la source 6 sur la face arrière du

substrat 2.

AU lieu d'utiliser un substrat qui est transparent au rayonnement 10, au rayonnement 14 et au rayonnement de la source 6, on peut supprimer le substrat une fois l'empilement réalisé et placer cet empilement semiconducteur sur un support transparent

aux trois rayonnements considérés.

Pour augmenter l'efficacité de la phase d'absorption, on peut également utiliser (figure 8) un substrat 2 dont une extrémité 28 est biseautée, par

exemple à 45 .

On envoie alors le rayonnement 10 vers l'empilement, normalement à cette face 28 Ce rayonnement 10 se propage alors en zig-zag entre l'interface air-face libre de l'empilement et l'interface air-face arrière du substrat, d'o des passages multiples de ce rayonnement à travers

l'empilement semiconducteur.

Le rayonnement d'énergie E 2 est encore, dans ce cas, détecté par la face arrière du substrat et l'éclairement en vue de la régénération du dispositif

est encore effectuée par cette face arrière.

Ceci suppose que l'on utilise encore un

substrat transparent aux trois rayonnements considérés.

Dans la réalisation de la figure 8, on peut encore recouvrir la surface libre de l'empilement 4 par une couche 26 optiquement réflectrice vis-à-vis du

rayonnement 10 d'énergie El.

En particulier, le dépôt d'une couche réflectrice métallique est important pour le fonctionnement optimal du dispositif dans le cas d'un empilement mince (empilement de quelques micromètres d'épaisseur). Des couches supplémentaires peuvent être ajoutées à la structure simple de la figure 2-A, pour améliorer le fonctionnement du dispositif de conversion

incorporant cette structure.

On peut faire ceci en particulier pour obtenir une structure pour laquelle l'absorption à l'énergie E 1 soit renforcée (accroissement de la force d'oscillateur de la transition inter-minibandes), tout en gardant l'égalité des probabilités de relaxation du niveau 13 > vers le niveau Il> ou le niveau 12 > c'est-à-dire approximativement l'égalité des probabilités de présence au voisinage des deux puits, ou pour ajuster avec davantage de souplesse, pour une famille de matériaux donnée, les distances entre niveaux d'énergie, ou pour étendre les plages respectives des valeurs de E 1 et de E 2 pour une famille

de matériaux donnée.

C'est ainsi qu'on peut par exemple modifier la structure représentée sur la figure 2-A en prévoyant, comme on le voit sur la figure 9-A, au milieu de la couche semiconductrice 20 correspondant à la barrière intermédiaire, une couche "répulsive" 30 de faible épaisseur, par exemple une couche de Al As de 0,3 nm, permettant de diminuer la probabilité de présence

des électrons du niveau 13 > dans la couche 20.

A cet effet, après avoir formé la couche semiconductrice 18, on forme une partie 20 a de la couche 20 puis la couche 30 puis le reste 20 b de la

couche 20.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'énergie supérieure à celle de ce rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend une structure semiconductrice multicouche ( 4) comportant au moins une première couche semiconductrice ( 18) et au moins une deuxième couche semiconductrice ( 22) dans lesquelles sont confinés respectivement un gaz d'électrons et un gaz de trous, ou dans lesquelles il est possible de confiner respectivement un gaz d'électrons et un gaz de trous, la structure étant telle qu'il existe au moins un état électronique délocalisé ( 13 >) dans au moins la première et la deuxième couches, cet état délocalisé ayant une énergie supérieure à celle des électrons du gaz d'électrons, la différence entre l'énergie de l'état délocalisé ( 13 >) et celle de l'état fondamental ( 1 l>) du gaz d'électrons étant dans le domaine infrarouge, de sorte que lorsque la structure est éclairée de façon non perpendiculaire aux couches par un premier rayonnement qui est dans le domaine infrarouge et dont l'énergie (El) est égale à la différence entre l'énergie de l'état délocalisé et celle de l'état fondamental du gaz d'électrons, cette structure émet un deuxième rayonnement d'énergie (E 2) supérieure à celle du premier, par recombinaison radiative impliquant les trous du gaz de trous, et en ce que le dispositif comprend en outre des moyens ( 6) pour régénérer, ou pour engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite, le gaz d'électrons et le gaz de trous. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure ( 4) est une structure symétrique dont la première ( 18) et la deuxième ( 22) couches forment respectivement des puits quantiques (Pi, P 2) couplés, de même profondeur et dopés, leurs dopages respectifs étant de types opposés, le dispositif comprenant alors des moyens ( 6) pour régénérer le gaz d'électrons et le gaz de trous.

3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche ( 18) est faite d'un matériau semiconducteur à dopage de type N, en ce que la deuxième couche ( 22) est faite de ce même matériau semiconducteur mais avec un dopage de type P, et en ce que La première couche et la deuxième couche sont séparées par une troisième couche semiconductrice ( 20) non dopée intentionnellement et formant une barrière de potentiel pour les électrons et pour les trous, l'ensemble comprenant la première, la deuxième et la troisième couches étant encadré par deux couches semiconductrices ( 16, 24) non dopées intentionnellement, formant des barrières de potentiel

pour les électrons et pour les trous.

4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure ( 4) est une structure asymétrique, ou susceptible d'être rendue telle, dont la première ( 18) et La deuxième ( 22) couches forment respectivement des puits quantiques (Pi, P 2) couplés, non dopés intentionne-llement, o le niveau fondamental d'électrons et le niveau fondamental de trous sont, ou sont susceptibles d'être, majoritairement confinés respectivement dans la première et la deuxième couches, le dispositif comprenant alors des moyens ( 6) pour engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite le gaz

d'électrons et Le gaz de trous.

Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la

structure comprend une pluralité de motifs, chaque motif comportant la première ( 18) et la deuxième ( 22)

couches semiconductrices.

6 Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la

structure ( 4) repose sur un substrat ( 2) transparent aux premier ( 10) et deuxième ( 14) rayonnements et comporte une surface libre oui est rendue optiquement

réflectrice vis-à-vis du premier rayonnement ( 10).

7 Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la

structure ( 4) repose sur un substrat ( 2) qui est transparent au premier rayonnement ( 10) et dont une extrémité ( 28) est biseautée et destinée à recevoir ce

premier rayonnement.

8 Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits

moyens sont des moyens d'éclairement prévus pour éclairer la structure par un rayonnement apte à régénérer, ou engendrer avant utilisation du dispositif et régénérer ensuite, le gaz d'électrons et le gaz de trous.