FR2696278A1 - Dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif électronique permettant d'injecter des porteurs de charges électroniques dans des matériaux à grand gap, auxquels il est généralement difficile de conférer une conductivité électrique par dopage. Dans ce dispositif on utilise un matériau à petit gap, constituant une source de porteurs de charges électroniques libres (électrons ou trous) que l'on fait transiter via un matériau à gap croissant jusqu'au matériau à grand gap, sous l'action d'une tension de commande. Les applications nombreuses peuvent être: des sources laser émettant à de courtes longueurs d'onde visibles, des cathodes froides, des panneaux électroluminescents...
Description
DISPOSITIF COMPRENANT DES MOYENS D'INJECTION
DE PORTEURS ELECTRONIQUES DANS DES
MATéRIAUX A GRAND GAP
L'invention concerne un dispositif dont une partie permet d'injecter des porteurs de charges électroniques (électrons ou trous) dans des matériaux à grand gap (par gap, on entend bande d'énergie interdite séparant la bande de conduction de la bande de valence située en-dessous dans l'échelle des énergies des électrons) ; ces matériaux étant très intéressants notamment pour élaborer des diodes lasers émettant dans le visible et plus particulièrement vers les courtes longueurs d'ondes. En effet de telles diodes laser font l'objet de recherches intenses en raison d'applications telles que le stockage d'information à haute densité, les communications optiques sous marines etc...
DE PORTEURS ELECTRONIQUES DANS DES
MATéRIAUX A GRAND GAP
L'invention concerne un dispositif dont une partie permet d'injecter des porteurs de charges électroniques (électrons ou trous) dans des matériaux à grand gap (par gap, on entend bande d'énergie interdite séparant la bande de conduction de la bande de valence située en-dessous dans l'échelle des énergies des électrons) ; ces matériaux étant très intéressants notamment pour élaborer des diodes lasers émettant dans le visible et plus particulièrement vers les courtes longueurs d'ondes. En effet de telles diodes laser font l'objet de recherches intenses en raison d'applications telles que le stockage d'information à haute densité, les communications optiques sous marines etc...
Cependant il est difficile d'introduire dans ces matériaux, de fortes concentrations de porteurs de charges électroniques par dopage avec des centres donneurs ou accepteurs en vue de réaliser des diodes et les contacts ohmiques associés.
Cette difficulté réside notamment dans un mécanisme d'auto-compensation décrit par Mandel (Phy. Rev. 134 (1964) A 1073). Ce mécanisme apparaît lorsqu'un matériau dont le gap est supérieur à l'énergie cohésive (énergie qu'il faut fournir au matériau pour lui arracher un atome), minimise son énergie en créant des défauts électriquement actifs qui piègent les porteurs produits par les impuretés dopantes.
Cette situation se rencontre particulièrement dans les semiconducteurs à grand gap du groupe Il-Vi qui ont une énergie cohésive réduite.
Cependant, malgré ces difficultés, les progrès récents les plus spectaculaires vers les courtes longueurs d'ondes sont obtenus avec ces composés II-VI. En effet, des diodes laser émettant à 490 nm ont été réalisées et leur étude décrite dans une publication récente (M.A. Haase et al. Appl. Phys. Lett. 59 (1991) 1272). Ces diodes sont réalisées dans le système des matériaux ZnSe/ZnSSe/CdZnSe. Les couches non dopées et de type n 18 de (concentration de porteurs de 1018 cm ) sont réalisées sans trop de difficulté mais les couches ZnSe dopées de type p ont une stabilité affectée par un phénomène d'autocompensation marqué.Lors de progrès récents, il a été toutefois possible d'obtenir dans les couches dopées p des concentrations de 18 de 1018 -3 porteurs de 1018 cm 3 par épitaxie par jets moléculaires avec un dopant azote généré à partir de "sources à radicaux libres".
Cependant, même si les diodes réalisées fonctionnent à 77 K, l'effet laser obtenu est de courte durée à 200 K et disparaît tout à fait à la température ambiante. Un des problèmes importants actuels à résoudre reste en effet la réalisation du contact ohmique à établir entre un métal et un matériau à grand gap dopé p comme il sera explicité ultérieurement.
C'est pourquoi, la présente invention propose une solution alternative, d'une portée générale permettant de contourner les problèmes de fort dopage (phénomène d' autocompensation) et de contact avec les matériaux à grand gap. Cette solution consiste en l'injection de porteurs électroniques dans des matériaux non dopés à grand gap, depuis des matériaux à petits gaps contenant des porteurs libres (produits par exemple par dopage), via des zones intermédiaires à gap continûment ou pseudocontinûment croissant (par gap pseudocontinûment croissant, on entend gap de tout matériau dont la composition varie de manière discontinue mais sur des distances suffisamment petites ou avec des discontinuités d'amplitude suffisamment faibles pour qu'il apparaisse comme continûment croissant aux électrons et aux trous) non dopées.
Sous l'action d'un champ électrique suffisant il devient possible de modifier suffisamment l'inclinaison des bandes d'énergie de la zone à gap croissant de manière à faire circuler les porteurs électroniques de la zone à petit gap vers la zone à grand gap. Cette inclinaison étant d'autant plus sensible à la tension que les matériaux ne sont pas dopés.Plus précisément, l'invention propose un dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap auxquels il est difficile de conférer une conductivité électrique par dopage, caractérisé en ce qu'il comprend
- un matériau à petit gap E1 constant ou partiellement croissant, constituant une source de porteurs de charges électroniques libres (électrons ou trous)
- un matériau à grand gap E3
- un matériau non dopé à gap continûment ou pseudocontinûment croissant de la valeur E1 à la valeur E3 et des moyens pour appliquer une tension électrique de manière à faire circuler les porteurs de charges électroniques du matériau à petit gap E1 vers le matériau à grand gap E3 via le matériau à gap croissant.
- un matériau à petit gap E1 constant ou partiellement croissant, constituant une source de porteurs de charges électroniques libres (électrons ou trous)
- un matériau à grand gap E3
- un matériau non dopé à gap continûment ou pseudocontinûment croissant de la valeur E1 à la valeur E3 et des moyens pour appliquer une tension électrique de manière à faire circuler les porteurs de charges électroniques du matériau à petit gap E1 vers le matériau à grand gap E3 via le matériau à gap croissant.
Les porteurs électroniques du matériau à petit gap peuvent être obtenus par dopage ou pompage optique dudit matériau.
L'invention propose également une source laser émettant dans le visible ou l'ultraviolet et utilisant le dispositif selon l'invention afin d'introduire des porteurs électroniques dans un matériau à grand gap (supérieur à 1,5 eV) pour émettre à des longueurs d'ondes courtes (inférieures à 800 nm). Plus précisément, il s'agit d'une source laser caractérisée en ce qu'elle comprend l'empilement suivant
- un matériau 1 dopé n à petit gap E11
- un matériau 2 à gap croissant E 21 de E11 à E31
- un matériau 3 non dopé au sens de lui conférer une conductivité électrique, à grand gap E31 supérieur à 1,5 eV, ledit matériau étant le siège de l'émission laser
- un matériau 4 à gap décroissant de E31 à E51
- un matériau 5 dopé p à petit gap E51.
- un matériau 1 dopé n à petit gap E11
- un matériau 2 à gap croissant E 21 de E11 à E31
- un matériau 3 non dopé au sens de lui conférer une conductivité électrique, à grand gap E31 supérieur à 1,5 eV, ledit matériau étant le siège de l'émission laser
- un matériau 4 à gap décroissant de E31 à E51
- un matériau 5 dopé p à petit gap E51.
La source laser selon l'invention présente de préférence dans la région à gap E31 une zone à gap E'31 légèrement inférieur à E31 de manière à piéger les porteurs électroniques dans la partie où doit s'opérer l'émission stimulée et éviter ainsi que les porteurs de type n ne circulent du matériau 1 au matériau 5, et ceux de type p du matériau 5 au matériau I.
La source laser selon l'invention peut être, en outre, munie de moyens de guidage de la lumière dans le matériau 3 obtenus par des variations de composition et donc d'indice de réfraction tel que cela est connu de l'homme de l'art.
Pour couvrir des larges gammes de gap on peut avantageusement utiliser des matériaux dont la composition est capable de varier continûment.
Pour cela on utilise de préférence des composés quaternaires de type IV-VI/II-VI dont
- une composante présente un faible gap, il peut s'agir de PbS (dont le gap est environ 0,4 eV)
- une composante présente un gap élevé par exemple SrS (dont le gap est supérieur à environ à 4 eV).
- une composante présente un faible gap, il peut s'agir de PbS (dont le gap est environ 0,4 eV)
- une composante présente un gap élevé par exemple SrS (dont le gap est supérieur à environ à 4 eV).
Pour éviter des problèmes de désadaptation de maille cristalline on introduit de préférence une autre composante par exemple CaS de manière à réajuster le paramètre de maille lorsque la composition change. En effet, avec un composé de type Pb Ca Sr S on arrive à maintenir un paramètre de maille à
l-x-y x y peu près constant lorsque la composition en entité à grand gap croît (y croît). En particulier, le quaternaire Pb1.1,341yCa0,341ySryS répond à ce critère comme il sera explicité ultérieurement. Ceci permet d'éviter la formation de défauts qui constituent généralement des centres de recombinaison prématurée (recpmbinaison des porteurs de charges électroniques avant qu'ils n'aient pu atteindre le matériau à gap élevé, siège de l'émission stimulée).
l-x-y x y peu près constant lorsque la composition en entité à grand gap croît (y croît). En particulier, le quaternaire Pb1.1,341yCa0,341ySryS répond à ce critère comme il sera explicité ultérieurement. Ceci permet d'éviter la formation de défauts qui constituent généralement des centres de recombinaison prématurée (recpmbinaison des porteurs de charges électroniques avant qu'ils n'aient pu atteindre le matériau à gap élevé, siège de l'émission stimulée).
Le dispositif selon l'invention devant être polarisé pour fonctionner, on applique généralement une tension V capable d'amener les porteurs de charges électroniques d'un matériau à petit gap vers le matériau à grand gap. I1 faut donc que cette tension soit telle qu'elle amène la bande de conduction du matériau à petit gap dopé n au moins au-dessus de la bande de conduction du matériau à grand gap et/ou la bande de valence du matériau à petit gap dopé p au moins en-dessous de la bande de valence du matériau à grand gap. Dans le cas de matériaux à petit gap dopé n et dopé p on se trouve dans la configuration représentée à la figure 1. La figure la montre la structure sans tension appliquée.La figure lb montre la configuration de la structure en présence d'une tension suffisante pour modifier l'inclinaison des bandes de manière à assurer la circulation des porteurs. La tension minimale à fournir pour amener les bandes de valence et de conduction au niveau choisi est au moins égale à V = (l/e) Egmax.
En correspondant au gap du matériau à grand gap.
Une partie de la tension totale est développée au travers dudit matériau à grand gap et en incline les bandes de valence et de conduction ; la tension totale minimale est donc quelque peu supérieure à (1/e) En
Dans deux autres variantes de l'invention, les porteurs de charges électroniques d'un seul ou des deux matériaux à petit gap ne sont plus créés par dopage mais par pompage optique à une longueur d'onde X1, au niveau des zones à faible gap, permettant la conversion de radiations à longueur d'onde élevée en radiations à longueurs d'onde courtes, émises au niveau du matériau à grand gap.
Dans deux autres variantes de l'invention, les porteurs de charges électroniques d'un seul ou des deux matériaux à petit gap ne sont plus créés par dopage mais par pompage optique à une longueur d'onde X1, au niveau des zones à faible gap, permettant la conversion de radiations à longueur d'onde élevée en radiations à longueurs d'onde courtes, émises au niveau du matériau à grand gap.
Dans d'autres variantes, un côté de la diode laser est à grand gap dopé, de préférence n comme dans l'état de l'art, l'autre côté étant réalisé selon l'invention ou ses variantes avec un petit gap contenant des porteurs libres générés par dopage ou par photopompage.
Ces dernières variantes peuvent être utilisées avantageusement comme diodes électroluminescentes, pouvant émettre par la surface. De tels dispositifs pourraient servir non seulement pour l'affichage mais également pour l'éclairage à haut rendement.
Les variantes décrites ci-dessus et qui utilisent les matériaux à petit gap pompés optiquement peuvent être avantageusement utilisées dans des dispositifs d'affichage à commande optique.
Le problème d'injection d'électrons dans la bande de conduction de matériaux à grand gap peut se poser également dans le domaine de l'électroluminescence dite "classique" mettant en jeu des matériaux homogènes ; la luminescence peut alors provenir de transitions électroniques sur les niveaux internes d'impuretés (type ion manganèse, ion europium...) incluses dans une matrice (luminescence caractéristique). Dans cette configuration, les électrons de la bande de conduction de la matrice choquent avec une certaine énergie cinétique les ions impuretés, de manière à faire passer des électrons internes de l'ion impureté dans un état excité, la retombée à l'état fondamental générant la luminescence.La luminescence peut également provenir de transitions entre la bande de conduction de la matrice et des états accepteurs ionisés associés à des impuretés et situés dans la bande interdite de ladite matrice (luminescence non caractéristique). Dans ce cas, les centres accepteurs peuvent avoir été ionisés par capture d'un trou de la bande de valence, trou lui-même créé lors de l'impact d'un électron énergétique de la bande de conduction avec un électron de la bande de valence. Ces accepteurs peuvent aussi avoir été ionisés par passage par effet tunnel de leur électron dans la bande de conduction sous l'effet de champs électriques élevés.
Tous ces mécanismes nécessitent donc l'injection d'électrons dans la bande de conduction de matériaux à gap élevé (par exemple CaS ou dérivé incluant des impuretés adaptées à la longueur d'onde d'émission souhaitée). Le moyen d'injection utilisé actuellement est le passage d'électrons par effet tunnel à partir d'états électroniques d'interface ou à partir d'états électroniques dans la bande interdite associés aux impuretés.
Dans les deux cas, les champs et les tensions de commande sont importants. Le dispositif de l'invention apparaît bien adapté pour injecter des porteurs dans la bande de conduction de ces matrices à gap élevé à partir de matériaux à faible gap via des matériaux à gap croissant permettant de diminuer fortement les tensions de commande.
C'est pourquoi l'invention propose aussi un dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap caractérisé en ce qu'il comprend l'empilement suivant
- un matériau à faible gap E11 possédant des porteurs de charges électroniques de type électrons
- un matériau à gap continûment croissant de la valeur Ell à la valeur E31
- un matériau à grand gap E31 possédant des centres luminescents.
- un matériau à faible gap E11 possédant des porteurs de charges électroniques de type électrons
- un matériau à gap continûment croissant de la valeur Ell à la valeur E31
- un matériau à grand gap E31 possédant des centres luminescents.
De préférence, le matériau à faible gap est en contact avec une électrode métallique, alors que le matériau à grand gap siège de la luminescence, est en contact direct avec une électrode transparente dans la gamme de longueur d'onde de la luminescence, permettant ainsi la transmission de l'onde émise.
On peut avantageusement utiliser comme matériau à gap élevé un ternaire de type CaSrS dopé par des impuretés luminescentes adaptées à la longueur d'onde désirée. Le matériau à gap croissant peut être le quaternaire Pb Ca Sr S, la
yxy x y composition en plomb variant de 0 à 1 pour atteindre le matériau à petit gap porteur de charges électroniques de type électrons.
yxy x y composition en plomb variant de 0 à 1 pour atteindre le matériau à petit gap porteur de charges électroniques de type électrons.
Ce matériau à petit gap peut être du PbS dopé avec du bismuth.
Le dispositif d'injections dans les matériaux à grand gap constituant l'invention peut troiwer une application particulièrement utile dans le domaine des cathodes froides et des photocathodes. Les cathodes froides sont des dispositifs d'émission d'électrons dans le vide qui font l'objet de recherches actives justifiées par leur intérêt dans les configurations où la géométrie des cathodes chaudes ne convient pas. Différents types de cathodes froides ont été étudiés et réalisés dans le passé : les cathodes froides de type métal-isolant-métal sont peu fiables, en raison des inhomogénéités du courant tunnel qui provoquent des points chauds destructifs. Les cathodes froides à émission de champ sont d'une fabrication complexe, les cathodes froides utilisant
ZnS qui ont fait l'objet d'une publication récente (Dalacu et al. Apply. Phys.Let. 58, 613 (1991)) exigent des tensions de fonctionnement élevées. Un exemple de cathode froide selon l'invention comprend l'empilement suivant
- une électrode d'indium
- un matériau à petit gap dopé n par exemple PbS
- un matériau à gap croissant par exemple Pbl 1 341
Ca0,341ySryS non dopé
- un matériau à grand gap par exemple
Ca0,254Sr0,746S non dopé
- une électrode très fine d'or (100 à 150 Angstroëms)
Sous l'effet d'une tension continue de quelques Volts (environ 5V) les électrons du matériau à petit gap sont injectés dans le matériau à grand gap dont la bande de conduction est très proche du niveau du vide, et sont capables de sortir depuis ce matériau vers le vide, pour rejoindre une anode placée en regard et convenablement polarisée.Les électrons peuvent alternativement être produits par pompage optique du matériau à petit gap à une longueur d'onde convenable, ce qui permet de réaliser une photocathode.
ZnS qui ont fait l'objet d'une publication récente (Dalacu et al. Apply. Phys.Let. 58, 613 (1991)) exigent des tensions de fonctionnement élevées. Un exemple de cathode froide selon l'invention comprend l'empilement suivant
- une électrode d'indium
- un matériau à petit gap dopé n par exemple PbS
- un matériau à gap croissant par exemple Pbl 1 341
Ca0,341ySryS non dopé
- un matériau à grand gap par exemple
Ca0,254Sr0,746S non dopé
- une électrode très fine d'or (100 à 150 Angstroëms)
Sous l'effet d'une tension continue de quelques Volts (environ 5V) les électrons du matériau à petit gap sont injectés dans le matériau à grand gap dont la bande de conduction est très proche du niveau du vide, et sont capables de sortir depuis ce matériau vers le vide, pour rejoindre une anode placée en regard et convenablement polarisée.Les électrons peuvent alternativement être produits par pompage optique du matériau à petit gap à une longueur d'onde convenable, ce qui permet de réaliser une photocathode.
Le problème d'injection d'électrons et des trous dans la bande de conduction de matériaux à grand gap peut se poser également pour des dispositifs purement électroniques. En effet l'électronique actuelle met principalement en jeu des matériaux tels que le silicium et des composés III-V tels que GaAs, dont les gaps sont modérés (1,12 eV et pour Si, 1,42 et pour GaAs).
Ces valeurs de gap limitent notamment les gammes des tensions inverses supportables par les diodes constituées de ces matériaux. Le phénomène limitant est l'apparition d'avalanches des électrons de la bande de conduction acquièrent dans les zones soumises au champ électrique, une énergie cinétique suffisante pour provoquer lors de chocs le passage d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction où ils participent eux-mêmes à ce phénomène. Il en résulte une destruction du matériau par échauffement. Pour provoquer l'avalanche il est nécessaire que l'énergie acquise par les électrons soit supérieure à environ 3/2 Eg, où Eg est le gap du matériau. Plus Eg sera élevé, plus haute sera la tension d'avalanche.
Des recherches actuelles sont orientées vers l'étude de matériaux à grand gap tel SiC, en vue de supporter des tensions inverses plus importantes (quelques centaines de Volts).
La réalisation de diodes exige la maîtrise de l'introduction de porteurs de charges électroniques de type électrons ou trous, dans ces matériaux. Cette introduction peut se faire par dopage par impuretés donneuses ou acceptrices. Elle peut aussi se faire selon l'invention par injection de ces porteurs à partir de matériaux à petit ou moyen gaps facilement dopables reliés au matériau à grand gap non dopé par une zone à gap croissant non dopée. Cette solution a l'avantage de contourner la difficulté à doper certains matériaux à grand gap et de permettre des contacts ohmiques aisés sur ces mêmes matériaux.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 illustre un schéma représentatif des bandes de valence et de conduction d'un dispositif selon l'invention invention
la figure la représente le schéma à l'équilibre
la figure lb représente le même dispositif soumis à une tension V
- la figure 2 montre l'évolution du gap en fonction de la composition pour les composés ternaires Pb sur S (courbe 2a) et Pb Ga S (courbe 2b)
x
- la figure 3 illustre des schémas représentatifs des bandes de valence et de conduction d'un dispositif constituant une source laser émettant à 0,45 pm, fonctionnant à 0V et à 7V
- la figure 4 représente un exemple de structure utilisant le dispositif selon l'invention et constituant un écran électroluminescent.
- la figure 1 illustre un schéma représentatif des bandes de valence et de conduction d'un dispositif selon l'invention invention
la figure la représente le schéma à l'équilibre
la figure lb représente le même dispositif soumis à une tension V
- la figure 2 montre l'évolution du gap en fonction de la composition pour les composés ternaires Pb sur S (courbe 2a) et Pb Ga S (courbe 2b)
x
- la figure 3 illustre des schémas représentatifs des bandes de valence et de conduction d'un dispositif constituant une source laser émettant à 0,45 pm, fonctionnant à 0V et à 7V
- la figure 4 représente un exemple de structure utilisant le dispositif selon l'invention et constituant un écran électroluminescent.
L'invention propose de limiter la création de porteurs électroniques et plus particulièrement le dopage à des zones à gap suffisamment petit pour échapper aux phénomènes d'autocompensation et aux problèmes de contacts ohmiques particulièrement aigus avec des matériaux à grand gap et de type p.En réduisant continûment le gap depuis la zone centrale à grand gap (zone active dans laquelle on cherche à créer certains effets) jusqu'à une zone à petit gap, on obtient une structure dans laquelle la zone à petit gap en contact avec l'électrode (nécessaires à la mise sous tension du dispositif) présente un travail de sortie (différence énergétique entre le niveau absolu du vide et le niveau de Fermi eF du matériau considéré) voisin de ceux des matériaux d'électrodes connus disponibles, ce qui facilite beaucoup la formation du contact ohmique et le fonctionnement du dispositif à température ambiante.Le problème de différences entre niveaux de Fermi est particulièrement marqué dans le cas du matériau à grand gap dopé p qui présente un niveau de Fermi proche de la bande de valence donc très bas dans l'échelle des énergies des électrons rendant difficile le contact ohmique avec les métaux connus dont les niveaux de Fermi sont plus élevés. Dans l'exemple du dispositif illustré à la figure 1 le matériau à grand gap non dopé est inséré entre deux matériaux dont les gaps varient continûment jusqu'à celui de matériaux à faible gap, contenant les porteurs de charges (électrons ou trous). Il peut s'agir d'une part d'un matériau dopé n, d'autre part d'un matériau dopé p.Sous l'action d'une différence de potentiel électrique, appliquée à la structure complète, les bandes d'énergie électronique de conduction et de valence modifient leurs inclinaisons au point de permettre le passage d'un courant d'électrons dans la bande de conduction depuis le matériau dopé n jusqu'au matériau à grand gap de la zone centrale et le passage d'un courant de trous dans la bande de valence depuis le matériau dopé p vers la zone centrale.En utilisant un tel dispositif il est possible d'obtenir une émission radiative dans le matériau à grand gap et donc à une longueur d'onde X faible, puisque la différence d'énergies entre bande de valence et bande de conduction est très proche de l'énergie du photon émis, celle-ci étant reliée à la longueur d'onde X selon la relation suivante
E (e.v) = 1,24/l (pm)
Grâce à ce dispositif, on augmente l'énergie du couple électron-trou émetteur de photon par déplacement sous champ électrique dudit électron et dudit trou dans des zones à gap croissant avant la recombinaison radiative qui produit le photon. On est ainsi en mesure de réaliser des diodes laser émettant à des longueurs d'ondes courtes tout en s'affranchissant des problèmes que posent les matériaux à grand gap.
E (e.v) = 1,24/l (pm)
Grâce à ce dispositif, on augmente l'énergie du couple électron-trou émetteur de photon par déplacement sous champ électrique dudit électron et dudit trou dans des zones à gap croissant avant la recombinaison radiative qui produit le photon. On est ainsi en mesure de réaliser des diodes laser émettant à des longueurs d'ondes courtes tout en s'affranchissant des problèmes que posent les matériaux à grand gap.
Dans ces structures, pour assurer le confinement des porteurs électroniques on crée de préférence un puits au sein du matériau à grand gap, évitant la circulation des porteurs électroniques de chaque type au travers de tout le dispositif, l'émission stimulée ainsi obtenue se fait principalement dans une direction parallèle au plan des couches. L'épaisseur du puits peut être telle qu'elle constitue la formation d'un puits quantique, il est également possible de réaliser une structure à plusieurs puits quantiques centraux Une configuration intéressante pour le confinement de la lumière est le confinement séparé à gradient d'indice qui utilise dans ces cas des puits en forme d'entonnoir comme représenté à la figure 3, permettant un guidage approprié de la lumière compte tenu des faibles dimensions du confinement des porteurs de charges électroniques.
Exemple d'une diode laser émettant à 0,45 pm
Cette diode utilise le dispositif selon l'invention et est conçue à partir de l'alliage quaternaire Pbl Ca Sr S car
1-x-y x y les alliages ternaires de base Pbl Ca S et Pb Sr S dont les propriétés sont décrites par Holloway (Holloway et al. Phys.
Cette diode utilise le dispositif selon l'invention et est conçue à partir de l'alliage quaternaire Pbl Ca Sr S car
1-x-y x y les alliages ternaires de base Pbl Ca S et Pb Sr S dont les propriétés sont décrites par Holloway (Holloway et al. Phys.
Rev. B 26 (1982) 5617) répondent particulièrement bien aux critères de l'invention. En effet
- Pb1-ySryS et Pb1-xCaxS ont un gap croissant compris entre 0,4 eV et plus de 4 eV comme l'illustrent les figures Za et 2b. Il ressort de ces courbes que les composantes SrS ou CaS jouent un rôle similaire dans l'évolution du gap lorsqu'ils sont ajoutés au binaire PbS
- Parallèlement Pb1-ySryS a un paramètre de maille légèrement croissant avec y tandis que Pb Ca S a un paramètre
x plus fortement variable mais décroissant, ce qui permet à CaS de compenser le désaccord de maille entre PbS et Pb1#ySryS.
- Pb1-ySryS et Pb1-xCaxS ont un gap croissant compris entre 0,4 eV et plus de 4 eV comme l'illustrent les figures Za et 2b. Il ressort de ces courbes que les composantes SrS ou CaS jouent un rôle similaire dans l'évolution du gap lorsqu'ils sont ajoutés au binaire PbS
- Parallèlement Pb1-ySryS a un paramètre de maille légèrement croissant avec y tandis que Pb Ca S a un paramètre
x plus fortement variable mais décroissant, ce qui permet à CaS de compenser le désaccord de maille entre PbS et Pb1#ySryS.
Dans la structure selon l'exemple, on réalise une structure symétrique. On utilise un matériau à faible gap PbS dopé p sur un substrat de PbS dopé p, muni d'une fine couche d'or sur sa face opposée. A l'autre extrémité de l'empilement, on trouve l'autre couche à faible gap de PbS dopé n cette fois-ci munie d'une couche d'indium. Les dopages sont de l'ordre de 5.1018 cm-3.
Pour préserver un paramètre de maille constant égal à celui de PbS (donné par la littérature apbS = 5,936 Angstroëms) les compositions x et y doivent vérifier l'équation suivante explicitant que le paramètre de maille de quaternaire Pb Ca Sr S est en tout point égal à celui du binaire PbS
l-x-y x y (apbS = 5,936, donné par l'article d'Ilolloway). D'autre part connaissant également les paramètres de maille des composés binaires CaS et SrS (respectivement aCaS = 5,690 et aSrs = 6,020) il est possible d'expliciter que
apbS = (l-x-Y)apbs + XaCaS+Y aSrS et ainsi en déduire le rapport
x = 0,341 y
Les courbes 2a et 2b fournies par la publication de
Holloway sont très proches et permettent d'extrapoler le comportement du quaternaire Pb Ca Sr S concernant
1-x-y x y l'évolution du gap de cet alliage en fonction de la composition.
l-x-y x y (apbS = 5,936, donné par l'article d'Ilolloway). D'autre part connaissant également les paramètres de maille des composés binaires CaS et SrS (respectivement aCaS = 5,690 et aSrs = 6,020) il est possible d'expliciter que
apbS = (l-x-Y)apbs + XaCaS+Y aSrS et ainsi en déduire le rapport
x = 0,341 y
Les courbes 2a et 2b fournies par la publication de
Holloway sont très proches et permettent d'extrapoler le comportement du quaternaire Pb Ca Sr S concernant
1-x-y x y l'évolution du gap de cet alliage en fonction de la composition.
Le rapport x/y = 0,341 permet en première approximation de considérer la courbe 2a comme celle du composé quaternaire dans la mesure où l'élément Ca n est introduit que pour compenser le paramètre de maille et est toujours en proportion inférieure à celle de Sr.
On considère ainsi que
De cette courbe on peut déduire la composition du quaternaire dans la zone à grand gap devant être le siège de l'émission laser à 0,45 pm.
De cette courbe on peut déduire la composition du quaternaire dans la zone à grand gap devant être le siège de l'émission laser à 0,45 pm.
En effet, Eg(eV) = l,24/X avec X = 0,45 pm donc Eg
(pm) = 2,76 eV.
(pm) = 2,76 eV.
Des courbes précédentes on déduit que 1,341y = 0,875 d'où y = 0,652 et x = 0,223. Ce quaternaire
Pb0,125Sr0,652Ca0,223 est donc choisi pour émettre une radiation à 0,45 pm. Typiquement, pour assurer le confinement des porteurs de charges électroniques on peut inscrire un puits d'environ quelques centaines d'Angstroëms (400 A) présentant une profondeur de 0,5 eV, amenant les gaps autour du puits à Eg = 3,26 eV.Les courbes décrites précédemment fournissent une composition y telle que 1,341 y = 0,920 (soit y = 0,686) d'où le quaternaire suivant Pb Ca Sr # constituant le
0,08 0,234 0,686 matériau à grand gap au sein duquel on inscrit un puits réalisé à partir de Pb0,125Sr0,652Ca0,223S. 0,234 0,686 Afin d'assurer un guidage convenable de la lumière parallèlement aux couches, on peut diminuer régulièrement la teneur en PbS depuis chaque extrémité du puits et sur une distance typique de 0,2 pm depuis Pb0,08Ca0,234Sr0,686S jusqu'à Pb0,06Ca0,240Sr0,700S conformément à la formule Pb Ca Sr S.Les zones à gap croissant
l-l,341y 0,341y y sont obtenues avec le quaternaire Pb 1-1,34yCa 0,341y SryS, y variant de 0 à 0,700 de manière à faire croître continûment le gap de 0,4 eV à 3,60 eV. Les épaisseurs des zones à gap croissant peuvent être de quelques microns (environ 2 pm).
Pb0,125Sr0,652Ca0,223 est donc choisi pour émettre une radiation à 0,45 pm. Typiquement, pour assurer le confinement des porteurs de charges électroniques on peut inscrire un puits d'environ quelques centaines d'Angstroëms (400 A) présentant une profondeur de 0,5 eV, amenant les gaps autour du puits à Eg = 3,26 eV.Les courbes décrites précédemment fournissent une composition y telle que 1,341 y = 0,920 (soit y = 0,686) d'où le quaternaire suivant Pb Ca Sr # constituant le
0,08 0,234 0,686 matériau à grand gap au sein duquel on inscrit un puits réalisé à partir de Pb0,125Sr0,652Ca0,223S. 0,234 0,686 Afin d'assurer un guidage convenable de la lumière parallèlement aux couches, on peut diminuer régulièrement la teneur en PbS depuis chaque extrémité du puits et sur une distance typique de 0,2 pm depuis Pb0,08Ca0,234Sr0,686S jusqu'à Pb0,06Ca0,240Sr0,700S conformément à la formule Pb Ca Sr S.Les zones à gap croissant
l-l,341y 0,341y y sont obtenues avec le quaternaire Pb 1-1,34yCa 0,341y SryS, y variant de 0 à 0,700 de manière à faire croître continûment le gap de 0,4 eV à 3,60 eV. Les épaisseurs des zones à gap croissant peuvent être de quelques microns (environ 2 pm).
La figure 3 illustre l'évolution des bandes de conduction et de chaque matériau constituant un élément de la structure, lorsqu une tension de 7V est appliquée aux bornes de cette structure. Le tableau récapitulatif ci-dessous décrit l'empilement des couches de matériaux utilisés
Matériau 1 PbS dopé p avec du thallium
Matériau 2 Pb y # de 0 à 0,7)
Matériau 3 Pb1-1,341yCa0,341ySryS(avec y = 0,7) Matériau 3" Fb Ca Sr S (avec y# de 0,7 à 0,686)
l-l,341y 0,341y y
Matériau 3' Pb1-1,341y Ca0,341ySryS (avec y = 0,652)
Matériau 3" Pb1-1,341yCa0,341ySryS (avec y#de 0,686 à 0,7)
Matériau 3 Pb1-1,341y Ca0,341ySryS (avec y = 0,7)
Matériau 4 Pb1-1,341yCa 0,341ySry S (avec y# de 0,7 à 0)
Matériau 5 PbS dopé n avec du bismuth
La concentration en dopage électronique est de l'ordre de 5.1018 -3
cm
Exemple de panneau électroluminescent
Le panneau utilise le dispositif selon l'invention et est réalisé à partir d'une matrice de CaSrS dopée avec des impuretés luminescentes de type Eu2+ ou Mn2+ ou Ce3+ selon les longueurs d'onde d'émission désirées dans le visible . Pour la réalisation de ce panneau, on dépose sur un substrat de verre (S), une électrode transparente et conductrice (ET), puis une couche du matériau électroluminescent (matrice Ca0,341ySryS soit Ca0,254Sr 0,746' incluant des centres luminescents).En contact de cette couche on superpose une couche à gap décroissant de matériau Pb1-1,341yCa0,341SryS (respectant ainsi les impératifs d'adaptation de maille cristalline), avec la composition y comprise entre 0,746 et 0, la partie supérieure étant en contact avec une couche de PbS (y = 0) dopée n avec du bismuth, l'ensemble étant recouvert d'une électrode métallique en indium (Em). La structure est illustrée à la figure 4.
Matériau 1 PbS dopé p avec du thallium
Matériau 2 Pb y # de 0 à 0,7)
Matériau 3 Pb1-1,341yCa0,341ySryS(avec y = 0,7) Matériau 3" Fb Ca Sr S (avec y# de 0,7 à 0,686)
l-l,341y 0,341y y
Matériau 3' Pb1-1,341y Ca0,341ySryS (avec y = 0,652)
Matériau 3" Pb1-1,341yCa0,341ySryS (avec y#de 0,686 à 0,7)
Matériau 3 Pb1-1,341y Ca0,341ySryS (avec y = 0,7)
Matériau 4 Pb1-1,341yCa 0,341ySry S (avec y# de 0,7 à 0)
Matériau 5 PbS dopé n avec du bismuth
La concentration en dopage électronique est de l'ordre de 5.1018 -3
cm
Exemple de panneau électroluminescent
Le panneau utilise le dispositif selon l'invention et est réalisé à partir d'une matrice de CaSrS dopée avec des impuretés luminescentes de type Eu2+ ou Mn2+ ou Ce3+ selon les longueurs d'onde d'émission désirées dans le visible . Pour la réalisation de ce panneau, on dépose sur un substrat de verre (S), une électrode transparente et conductrice (ET), puis une couche du matériau électroluminescent (matrice Ca0,341ySryS soit Ca0,254Sr 0,746' incluant des centres luminescents).En contact de cette couche on superpose une couche à gap décroissant de matériau Pb1-1,341yCa0,341SryS (respectant ainsi les impératifs d'adaptation de maille cristalline), avec la composition y comprise entre 0,746 et 0, la partie supérieure étant en contact avec une couche de PbS (y = 0) dopée n avec du bismuth, l'ensemble étant recouvert d'une électrode métallique en indium (Em). La structure est illustrée à la figure 4.
En appliquant une tension électrique négative de l'ordre de 5 à 10 V sur l'électrode d'indium par rapport à l'électrode transparente, on génère un courant d'électrons depuis cette électrode d'indium jusque dans la couche de matériau à grand gap. Le courant d'électrons, provoque par impact sur les centres luminescents, la luminescence recherchée.
La lumière émise dans toutes les directions s'échappe notamment à travers le substrat de verre comme dans les dispositifs connus de l'état de l'art.
Exemple de dispositif purement électronique
Il s'agit d'une diode pin comprenant l'empilement de matériaux suivants
- un matériau PbS dopé n
- un matériau Pb1-1,341Ca0,341ySryS intrinsèquement non dopé
un matériau Ca0,254Sr0,746 intrinsèquement non dopé
- un matériau PbS dopé p.
Il s'agit d'une diode pin comprenant l'empilement de matériaux suivants
- un matériau PbS dopé n
- un matériau Pb1-1,341Ca0,341ySryS intrinsèquement non dopé
un matériau Ca0,254Sr0,746 intrinsèquement non dopé
- un matériau PbS dopé p.
Le matériau PbS dopé n est par ailleurs recouvert d'une électrode d'indium.
Le matériau PbS dopé p est par ailleurs recouvert d'une électrode d'or.
Lorsque la diode est polarisée en direct, elle est conductrice à partir d'une tension seuil, quelque peu supérieure à la tension précitée V = l/e Eg a 3 soit une tension supérieure à : 4,6 V. Si Eg est voisin de 4,6 eV. Ainsi lorsque la diode est polarisée en inverse, la présence de matériaux à grand gap dans une partie de la zone soumise au champ électrique intense rend difficile l'apparition d'un courant d'avalanche.
Claims (10)
1. Dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs de charges électroniques dans des matériaux à grand gap, auxquels il est difficile de conférer une conductivité électrique par dopage, caractérisé en ce qu'il comprend
- un matériau à petit gap E1 constant ou partiellement croissant constituant une source de porteurs de charges électroniques libres (électrons ou trous)
- un matériau à grand gap E3 ;
- un matériau non dopé à gap continûment ou pseudocontinûment croissant de la valeur E1 à la valeur E3 et des moyens pour appliquer une tension électrique de manière à faire circuler les porteurs de charges électroniques du matériau à petit gap E1 vers le matériau à grand gap via le matériau à gap croissant.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les porteurs de charges électroniques sont introduits dans le matériau à gap E1 par dopage p ou n.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les porteurs de charges électroniques sont introduits dans le matériau à gap E1 par pompage optique.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend déposé sur un substrat de PbS l'empilement de matériaux suivants - un matériau à petit gap Pbl~l,341mCaO,341mSrm Fb Ca Sr avec
l-l,34lm 0,341m m m inférieur à environ 0,1 - un matériau à gap croissant Pb-1-1,341y Ca0,341ySryS avec y variant d'environ 0,1 à u
- un matériau à grand gap E3 Pb1-1,341u Ca0,341uSzuS u étant supérieur à environ 0,6.
5. Source laser émettant dans le visible et utilisant le dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comprend l'empilement suivant
- un matériau 1 dopé n à petit gap E11
- un matériau 2 à gap croissant E21 de E11 à E31
- un matériau 3 non dopé au sens de lui conférer une conductivité électrique, à grand gap E31 supérieurs à 1,5 eV, ledit matériau étant le siège de l'émission laser et présentant dans sa partie centrale un léger fléchissement du gap de manière à confiner les porteurs électroniques
- un matériau 4 à gap décroissant de E31 à E51
- un matériau 5 dopé p à petit gap E51.
6. Source laser selon la revendication 5, caractérisée en ce que
- le matériau 3 est Pb1,341uCa0,341uSruS avec u environ 0,65 de manière à émettre à environ 0,45 pm.
7. Panneau électroluminescent utilisant le dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'empilement suivant
- un matériau à faible gap E11 possédant des porteurs de charges électroniques de type électrons
- un matériau à gap continûment croissant de la valeur
E11 à une valeur E31
- un matériau à grand gap E31 possédant des centres luminescents.
8. Panneau électroluminescent selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'empilement de matériaux est le suivant
- le matériau à faible gap : PbS dopé bismuth
- le matériau à gap croissant : Pb1-1,341yCa0, 341y SryS avec y compris entre 0 et 0,746
- le matériau à grand gap, siège de l'électrolumi- nescence : Ca0,254Sr0##46S ayant des centres luminescents pouvant être des ions Eu ou Mn ou Ce
9. Cathode froide caractérisée en ce qu'elle utilise le dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 4 et qu'elle comprend une fine couche d'or déposée sur l'extrémité du matériau à grand gap, opposée au matériau à gap croissant.
10. Photocathode caractérisée en ce quelle utilise le dispositif selon l'une des revendications 1, 3 ou 4 et qu'elle comprend une fine couche d'or déposée sur l'extrémité du matériau à grand gap, opposée au matériau à gap croissant.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9211452A FR2696278B1 (fr) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | Dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9211452A FR2696278B1 (fr) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | Dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2696278A1 true FR2696278A1 (fr) | 1994-04-01 |
| FR2696278B1 FR2696278B1 (fr) | 1994-11-18 |
Family
ID=9433895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9211452A Expired - Fee Related FR2696278B1 (fr) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | Dispositif comprenant des moyens d'injection de porteurs électroniques dans des matériaux à grand gap. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2696278B1 (fr) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0631356A2 (fr) * | 1993-06-14 | 1994-12-28 | Rohm Co., Ltd. | Dispositif semi-conducteur émetteur de lumière |
| EP0880181A2 (fr) * | 1997-05-23 | 1998-11-25 | Hewlett-Packard Company | Contact électrique pour nitrure de gallium (aluminium, indium) avec une chute de tension moderée |
-
1992
- 1992-09-25 FR FR9211452A patent/FR2696278B1/fr not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 14, no. 546 (E-1008)4 Décembre 1990 & JP-A-22 32 939 ( NEC ) 14 Septembre 1990 * |
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 15, no. 502 (E-1147)18 Décembre 1991 & JP-A-32 18 675 ( TOSHIBA ) 26 Septembre 1991 * |
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| EP0631356A3 (fr) * | 1993-06-14 | 1998-03-04 | Rohm Co., Ltd. | Dispositif semi-conducteur émetteur de lumière |
| EP0880181A2 (fr) * | 1997-05-23 | 1998-11-25 | Hewlett-Packard Company | Contact électrique pour nitrure de gallium (aluminium, indium) avec une chute de tension moderée |
| EP0880181A3 (fr) * | 1997-05-23 | 1999-01-20 | Hewlett-Packard Company | Contact électrique pour nitrure de gallium (aluminium, indium) avec une chute de tension moderée |
| US6100586A (en) * | 1997-05-23 | 2000-08-08 | Agilent Technologies, Inc. | Low voltage-drop electrical contact for gallium (aluminum, indium) nitride |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2696278B1 (fr) | 1994-11-18 |
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