FR2733858A1 - Convertisseur de lumiere d'infrarouge lointain au proche infrarouge - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un convertisseur de lumière D'infrarouge lointain au proche infrarouge, comprenant un photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1) intégré verticalement avec une diode luminescente (5).
Description
La présente invention concerne les dispositifs de formation d'images
thermiques à infrarouge et en particulier un convertisseur de lumière de l'infrarouge lointain au proche infrarouge. 5 Les détecteurs de formation d'images thermiques à infrarouge sont largement utilisés pour diverses applications, comme pour fournir une vision nocturne, une surveillance et pour des recherches et des secours. Les dispositifs de formation d'images, pour fournir ces10 applications sont typiquement constitués de cibles focales en HgCdTe ou InSb. Ces cibles ont été difficiles à fabriquer et sont coûteuses. Les photodétecteurs infrarouge à puits quantiques peuvent détecter la lumière de l'infrarouge lointain et moyen, en fournissant comme15 résultat un courant de sortie. Cependant, ces dispositifs ne sont pas susceptibles d'être utilisés avec succès dans des cibles peu coûteuses et efficaces pour fournir un détecteur de formation d'images pratique. Des dispositifs photodétecteurs infrarouge à puits quantiques sont décrits dans le brevet US N 4 873 555 et dans le brevet US N 4 894 526. Ce dernier brevet décrit un dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques à rendement amélioré, qui utilise une série de puits quantiques.25 La présente invention intègre verticalement une diode luminescente à un dispositif photodétecteur
infrarouge à puits quantiques. Le courant issu du dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques résultant de l'incidence de l'infrarouge lointain30 traverse la diode luminescente en conduisant la diode luminescente à émettre de l'énergie du proche infrarouge.
Cette énergie du proche infrarouge peut être détectée efficacement par un dispositif à couplage de charges au silicium, ce qui donne un détecteur très efficace. Le35 photodétecteur infrarouge à puits quantiques et la diode luminescente intégrés sont, de préférence, tous constitués d'un système de matériaux à base de GaAs, ce qui réduit les problèmes de désappariement thermique qui pourraient se produire si des systèmes de matériaux
différents étaient utilisés.
Conformément à la présente invention, un convertisseur d'énergie d'infrarouge lointain au proche infrarouge est constitué d'un photodétecteur infrarouge à puits quantiques intégré verticalement avec une diode luminescente. L'intégration résulte, de préférence, d'un dépôt épitaxial des matériaux de la diode luminescente
sur les matériaux du photodétecteur infrarouge à puits quantiques.
Selon un autre mode de réalisation, le photodétecteur infrarouge à puits quantiques et la diode
luminescente sont disposés sur un substrat, le15 photodétecteur infrarouge à puits quantiques et la diode luminescente étant divisés en une matrice de sous-
ensembles de photodétecteur infrarouge à puits quantiques et de sousensembles de diode luminescente, supportés par ledit substrat, et étant reliés en parallèle, l'épaisseur20 du substrat étant suffisamment transparente pour permettre à l'énergie de l'infrarouge lointain de traverser le substrat afin d'atteindre le photodétecteur infrarouge à puits quantiques. Divers avantages et caractéristiques de la présente
invention ressortiront de la description détaillée ci- après faite en regard des dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est une coupe transversale représentative (qui n'est pas à l'échelle) d'un mode de réalisation de l'invention,30 la figure 2 est une coupe transversale représentative (qui n'est pas à l'échelle) d'un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une coupe transversale représentative (qui n'est pas à l'échelle) d'un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une coupe transversale détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, la figure 5A est un graphique de la puissance de sortie de la diode luminescente avec une longueur d'onde de sortie, la figure 5B est un graphique de la réponse du photodétecteur infrarouge à puits quantiques avec une longueur d'onde d'entrée, et la figure 5C est un graphique de l'accroissement de la puissance de sortie de la diode luminescente avec le
courant de polarisation.
La figure 1 illustre schématiquement la présente invention sous sa forme la plus générale. Sur la figure 1, IRP signifie proche infrarouge, IRL infrarouge lointain et IRM infrarouge moyen. Un photodétecteur infrarouge à puits quantiques 1 ayant, de préférence, une série de puits quantiques comme décrit dans le brevet US précité N 4 894 526 est implanté épitaxialement sur un substrat 3. Une diode luminescente 5 est implantée épitaxialement sur le photodétecteur infrarouge à puits quantiques. Le substrat 3 est suffisamment mince pour permettre à l'énergie de l'infrarouge lointain de le traverser pour aller au photodétecteur infrarouge à puits quantiques 1. Il convient de remarquer que l'expression "énergie de l'infrarouge lointain" est destinée à englober dans la
présente description l'énergie de l'infrarouge moyen d'une longueur d'onde de 3 à 12 Mm. On utilise donc dans
la présente description, de façon interchangeable, l'expression "infrarouge lointain" et "infrarouge moyen". La longueur d'onde du proche infrarouge est30 approximativement de 800 à 1000 nm.
Lors de l'application d'un courant de polarisation, par exemple à partir d'une source d'énergie 7 telle qu'une batterie au travers d'une résistance de charge 9, au photodétecteur infrarouge à puits quantiques et à la35 diode luminescente empilés en série, le même courant les traverse. L'infrarouge lointain génère, dans le dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques, un photocourant qui passe dans la diode luminescente. Ce photocourant apparaît à partir du courant de polarisation externe, car la résistance du dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques change (habituellement décroît) lorsque la lumière infrarouge de la longueur d'onde appropriée est appliquée sur le photodétecteur
infrarouge à puits quantiques. Ce photocourant génère ou augmente l'émission de proche infrarouge à partir de la diode luminescente, laquelle émission peut être détectée10 par un détecteur qui complète le dispositif de formation d'images thermiques.
La diode luminescente émet de la lumière, comme du proche infrarouge, lorsqu'elle est polarisée dans le sens direct près et au-delà de l'état de large bande.15 Des techniques de croissance épitaxiale III-V modernes, telles que l'épitaxie par faisceaux moléculaires de GaAs, peuvent implanter tant un dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques qu'une diode luminescente sur le dispositif photodétecteur infrarouge à puits20 quantiques sur la même plaquette, en formant un dispositif diode luminescente-photodétecteur infrarouge à puits quantiques reliés en série. L'alimentation de courant externe applique une polarisation dans le sens direct à la série d'éléments, en plaçant à la fois le25 dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques et la diode luminescente dans leurs états de fonctionnement. En supposant que IjRM et kIRP sont respectivement la longueur d'onde de détection du dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques dans la région de l'infrarouge moyen et la longueur d'onde d'émission de la diode luminescente dans la région du proche infrarouge, l'absorption de la lumière infrarouge à kIRM procure une augmentation de la circulation de courant dans le dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques. Cette augmentation de courant doit faire croître le courant à travers la diode luminescente car celle-ci est reliée en série avec le dispositif photodétecteur. Etant donné que la diode luminescente est polarisée près ou au-delà de l'état de large bande, le courant additionnel donne lieu à un déclenchement ou à 5 une augmentation de l'émission de lumière du proche infrarouge par la diode luminescente. La lumière de l'infrarouge moyen a ainsi été convertie en une lumière du proche infrarouge qui peut être détectée par un
dispositif à couplage de charges au Si.
La présente invention peut être réalisée en utilisant l'un quelconque d'un grand nombre de systèmes de matériaux, par exemple GaAs- AlGaAs du type n ou p, InGaAs-AlGaAs du type n ou p, InGaAs-InP du type n ou p, et autres.15 La figure 2 est une coupe transversale d'un dispositif photodétecteur infrarouge à puits quantiques et d'une diode luminescente subdivisés en des sous- ensembles de photodétecteur infrarouge à puits quantiques 11 et des sous-ensembles de diode luminescente 13,
déposés épitaxialement sur un substrat 3, en formant des structures mésa dont chacune est constituée d'un sous-
ensemble de photodétecteur infrarouge à puits quantiques et d'un sousensemble de diode luminescente. Sur cette figure, IRM signifie infrarouge moyen.,25 Dans ce mode de réalisation, un dispositif à couplage de charges au Si 15, formé dans un plan, est disposé avec sa surface de détection à proximité étroite des sous- ensembles de diode luminescente. En service, l'énergie dans les longueurs d'onde de l'infrarouge30 lointain à détecter traverse le substrat 3 et est détectée par chaque sous-ensemble de photodétecteur infrarouge à puits quantiques, sur lequel l'énergie arrive (le circuit de polarisation n'est pas représenté dans cette figure). Les photocourants résultants35 traversent les sous-ensembles de diode luminescente 13 associés en les faisant émettre de l'énergie par exemple du proche infrarouge. Cette énergie du proche infrarouge 6 est détectée par le dispositif à couplage de charges et est traitée pour être affichée d'une manière connue. En raison de la proximité étroite du dispositif à couplage de charges avec la plaquette à matrice diode luminescente-photodétecteur infrarouge à puits quantiques, cette plaquette agit comme un filtre, en formant une barrière empêchant l'énergie de la lumière visible d'atteindre le dispositif à couplage de charges. La figure 3 est une coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'invention. ce mode de réalisation est identique à celui de la figure 2 sauf que, dans ce cas, le dispositif à couplage de charges est espacé des surfaces émettrices des sous-ensembles de diode luminescente, une lentille 17 étant interposée15 entre lui et ces dernières. La lentille focalise l'énergie du proche infrarouge provenant des surfaces
émettrices des sous-ensembles de diode luminescente 13, sur la surface du dispositif à couplage de charges 15.
Sur cette figure, IRM signifie infrarouge moyen et IRP20 proche infrarouge.
La figure 4 illustre de façon plus détaillée la structure d'un prototype de laboratoire, ayant donné satisfaction; d'un dispositif à photodétecteur infrarouge à puits quantiques et d'une diode luminescente25 intégrée. Les couches sont, du bas vers le haut une couche de contact de fond 19 de 800 nm en GaAs du type n dopé au Si selon une densité de 1,5 x 1018 cm-3, un élément d'espacement en GaAs 21 de 5 nm, et cinquante puits quantiques 23 répétés en Ao10,25Ga0, 75As/GaAs (comme décrit dans le brevet US N 4 894 526) avec une barrière 24 de 40 nm et un puits de 5,9 nm. Les puits sont dopés avec un épi 6-Si à une densité de 5 x 1011 cm-2. Ces épis-6 sont positionnes à une distance d'environ 2,5 nm du centre du puits vers le substrat, pour contrebalancer la ségrégation de Si pendant la croissance et assurer la symétrie de la structure de photodétecteur infrarouge à
puits quantiques.
La croissance est poursuivie avec les couches suivantes pour former la diode luminescente: une couche à gradation en AlxGalx 25 de 40 nm de x=0, 25 à 0,12, une couche en GaAs 27 de 30 nm, un puits en Ino,2Ga0,8As 28 de 7,0 nm, une couche en GaAs 29 de 30 nm, une couche à gradation en AlxGalxAs 30 de 40 nm de x=0,12 à 0,23, une
couche 31 en A10o 25Ga0o 75As du type p+ de 50 nm avec dopage au Be s'échelonnant de 1 à 8 x 1018 à 1019 cm-3, et finalement une couche de contact de dessus 32 en GaAs10 du type p++ de 200 nm avec un dopage à 1019 cm-3.
L'avantage d'utiliser InGaAs comme le matériau du puits est que la lumière émise n'est absorbée dans aucune des autres couches. Des dispositifs mésa avec une surface de 290 x 140 pm2 sont réalisés en utilisant des techniques standard de lithographie du GaAs. Les contacts supérieurs du type p sont étroits et de forme annulaire près du bord du mésa, ce qui donne une fenêtre d'émission de 200 x 100 m2 pour la lumière du proche infrarouge émise par la diode luminescente. Une facette de bord à 45" est polie près des dispositifs pour faciliter le couplage de l'infrarouge lointain à la transition de bandes inférieures intermédiaires. Le dispositif est monté sur un cryostat optique à élément froid à 77 K et la25 température réelle du dispositif est estimée comme étant de 820 K. Une source de corps noir à 1000 K ou un laser à
C02 est utilisé comme source d'infrarouge lointain. Un monochromateur à réseau ou un spectromètre à transformée de Fourier est utilisé pour la sélection des longueurs30 d'onde. Une photodiode au Si est utilisée pour mesurer l'émission du proche infrarouge.
Ce qui est mentionné ci-dessus peut être résumé dans un mode de réalisation préféré de la présente invention comprenant une structure GaAs/AlGaAs pour XIRP = 9 pm. Le35 puits est de 5,9 nm en GaAs et est dopé en Si à environ x 1011 cm-2 et la barrière est en A10,25Ga0,75As non dopé de 40,0 nm. Le nombre de puits doit être supérieur à 8 environ vingt pour une absorption élevée. Plus le nombre de puits est important, plus le bruit du détecteur est faible, mais dans la pratique vingt à deux cents puits peuvent être utilisés, cinquante puits environ étant 5 préférés. La couche de contact de fond en GaAs doit être dopée en Si à environ 1,5 x 1018 cm-3 et doit présenter une épaisseur d'environ 0,8 pm. On préfère que le substrat pour la croissance épitaxiale soit en GaAs (100) semi-isolant.10 La diode luminescente doit être implantée après la dernière barrière du photodétecteur infrarouge à puits quantiques. Bien que la technologie des diodes luminescentes soit bien connue, un exemple de couches appropriées pour l'émission à la bande interdite du GaAs15 approximativement est, dans une séquence de croissance, une couche en AlxGalxAs de 40,0 nm à gradation de x=0,25 à 0,10, une couche active en GaAs de 10 nm, une couche en AlxGalxAs de 40,0 nm à gradation de x=0, 10 à 0,25, une couche en A10,25Ga0,75As dopé de type p de 500,0 nm avec20 un dopage au Be à 5 x 1018 cm-3 et une couche de contact supérieure en GaAs dopé de type p de 100,0 nm avec un dopage de Be à o1019 cm-3. Le dispositif à couplage de charges peut être l'un quelconque d'une variété de matrices de dispositifs à couplage de charges bidimensionnelles Si, par exemple un dispositif réalisé par Dalsa Inc., de Waterloo, Ontario, Canada. Les figures 5A à 5C illustrent des résultats expérimentaux du prototype de laboratoire ayant donné satisfaction. La figure 5A représente la puissance émise par la diode luminescente, portée en ordonnées et désignée par PSDL en pW, à la longueur d'onde de 927 nm, en fonction du courant de polarisation porté en abscisses et désigné par CP en mA. Sur cette figure, l'insertion Il35 illustre la géométrie du dispositif, IRP signifie proche infrarouge et LO longueur d'onde. On peut constater une relation linéaire de la puissance de sortie de la diode
luminescente avec le courant de polarisation.
La figure 5B illustre en ordonnées la réponse R(A/W) du photodétecteur infrarouge à puits quantiques pour la lumière non polarisée en fonction du courant de polarisation CP (mA) porté en abscisses, l'insertion 12
illustrant la géométrie du dispositif, à une longueur d'onde de 9,2 pm. Sur cette figure, IRL signifie infrarouge lointain, IRP proche infrarouge, LO longueur10 d'onde. L'insertion X illustre la réponse spectrale normalisée avec la longueur d'onde LO (en pm).
La figure 5C illustre en ordonnées l'augmentation mesurée de la puissance de sortie de la diode luminescente APSDL (MW) en fonction du courant de15 polarisation CP (mA) porté en abscisses, pour plusieurs valeurs de puissance d'infrarouge lointain à une longueur
d'onde de 9,2 pm. Sur cette figure, l'insertion 13 illustre la géométrie du dispositif et IRP signifie proche infrarouge, IRL infrarouge lointain et DL diode20 luminescente.
En considérant la structure du dispositif à diode luminescente simple dans le prototype de laboratoire ayant donné satisfaction mentionné plus haut, on observe que le rendement externe est très bas (à partir de la25 figure 5A) en comparant le débit de photons de sortie (photons/seconde) au courant d'entrée (électrons/ seconde). En supposant un rendement interne proche de l'unité, ce qui est réaliste pour des puits quantiques en InGaAs/GaAs de qualité élevée, deux facteurs principaux30 peuvent conduire au bas rendement externe. Tout d'abord un métal de contact annulaire supérieur large bloque une partie de l'émission. Le rapport de la surface d'émission et de la surface de la diode est d'environ 0,49 pour le graphique illustré. En second lieu, un indice de35 réfraction élevé du matériau conduit à un petit angle du cône d'échappement, qui donne de façon idéale une fraction de lumière échappée d'environ 2%. En combinant ces facteurs, le rendement externe envisagé est en accord avec le résultat expérimental. Afin d'améliorer le rendement externe de la diode luminescente, la lumière émise peut être piégée dans une couche mince. Un rendement impressionnant de 72 % a en effet été mis en évidence à l'aide de cette technique. Cependant, même avec un rendement externe bas de la diode luminescente, l'augmentation de l'émission de la
diode luminescente peut être facilement observée pour une10 puissance d'illumination d'infrarouge lointain aussi faible que 1,5 1W, comme représenté sur la figure 5C.
Ceci montre la facilité relative de détection de la lumière du proche infrarouge comparativement à la lumière de l'infrarouge lointain.15 Les enseignements ci-dessus illustrent un convertisseur d'infrarouge lointain ou de moyen infrarouge en proche infrarouge, utilisant un photodétecteur à bandes inférieures intermédiaires à puits quantiques en GaAs/AlGaAs intégré avec une diode20 luminescente à puits quantiques en InGaAs/GaAs. Cette structure peut être agrandie en de grandes matrices bidimentionnelles peu coûteuses et à fort rendement, appropriées pour des applications de formation d'images thermiques.25 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits en détails et diverses
modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
Claims (12)
1. Convertisseur de lumière d'infrarouge lointain au proche infrarouge comprenant un photodétecteur infrarouge
$ à puits quantiques (1) intégré verticalement avec une diode luminescente (5).
2. Convertisseur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode luminescente (5) est disposée sur le photodétecteur infrarouge à puits10 quantiques (1) comme résultat de la croissance épitaxiale de la diode luminescente (5) sur le photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1). 3.- Convertisseur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diode luminescente (5) est un
émetteur d'énergie électromagnétique aux longueurs d'ondes du proche infrarouge.
4.- Convertisseur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce que le photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1) et la diode luminescente (5) sont20 disposés sur un substrat (3), le photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1) et la diode luminescente (5) étant divisés en une matrice parallèle de sous- ensembles de photodétecteur infrarouge à puits quantiques (11) et une matrice parallèle de sous-25 ensembles de diode luminescente (13) supportés par ledit substrat (3), le substrat (3) étant suffisamment transparent pour permettre à l'énergie d'infrarouge lointain de le traverser pour atteindre le photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1).30 5.- Convertisseur de lumière selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un dispositif à couplage de charges (15) disposé en face des sous- ensembles de diode luminescente (13) dans une position
lui permettant de recevoir l'énergie émise par les sous-35 ensembles de diode luminescente (13).
6.- Convertisseur de lumière selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif à couplage de charges (15) est situé à proximité étroite des faces frontales
des sous-ensembles de diode luminescente (13).
7.- Convertisseur de lumière selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif à couplage de charges (15) est espacé des sousensembles de diode luminescente (13) et en ce qu'il comprend, de plus, une lentille (17) disposée entre les sous-ensembles de diode luminescente (13) et le dispositif à couplage de charges (15) pour focaliser l'énergie émise par les sous-ensembles de
diode luminescente (13) sur la surface du dispositif à couplage de charges (15).
8.- Convertisseur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un circuit de polarisation relié au photodétecteur infrarouge à puits15 quantiques (1) et à la diode luminescente (5) pour faire passer du courant à travers le photodétecteur infrarouge
à puits quantiques (1) et la diode luminescente (5).
9.- Convertisseur de lumière selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un circuit de polarisation relié à la connexion en série de la matrice de sous-ensembles de photodétecteur infrarouge à puits
quantiques (11) et de la matrice de sous-ensembles de diode luminescente (13), pour faire passer du courant à travers chaque paire de sous-ensemble de photodétecteur25 infrarouge à puits quantiques (11) et de sous-ensemble de diode luminescente (13) associé.
10.- Convertisseur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur infrarouge à
puits quantiques (1) et la diode luminescente (5) sont30 constitués de AlxGalxAs avec 0<x<l et de InyGalyAs avec O<y<l.
11.- Convertisseur d'énergie lumineuse selon la revendication 4, caractérisé en ce que le photodétecteur infrarouge à puits quantiques (1) et la diode35 luminescente (5) sont constitués de AlxGalxAs avec 0<x<l et de InyGalyAs avec 0<y<l, le dispositif à couplage de
charges (15) étant constitué de Si.
12.- Convertisseur d'énergie lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur
infrarouge à puits quantiques (1) comprend une série de couches de puit quantique en un nombre supérieur à5 environ vingt.
13.- Convertisseur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur infrarouge à
puits quantiques (1) comprend une série de couches de puit quantique en un nombre compris entre vingt et deux10 cents.
14.- Convertisseur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur infrarouge à
puits quantiques (1) comprend une série d'environ cinquante couches de puit quantique.
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