WO2003010829A1 - Detecteur photovoltaique a cascade quantique - Google Patents
Detecteur photovoltaique a cascade quantique Download PDFInfo
- Publication number
- WO2003010829A1 WO2003010829A1 PCT/FR2002/002601 FR0202601W WO03010829A1 WO 2003010829 A1 WO2003010829 A1 WO 2003010829A1 FR 0202601 W FR0202601 W FR 0202601W WO 03010829 A1 WO03010829 A1 WO 03010829A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- energy level
- quantum wells
- quantum
- photovoltaic detector
- wells
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 241000232997 Anna Species 0.000 claims 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 8
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N tribenuron methyl Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1S(=O)(=O)NC(=O)N(C)C1=NC(C)=NC(OC)=N1 VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
Definitions
- the field of the invention is that of quantum well detectors, which are particularly advantageous for detecting electromagnetic waves in the infrared field.
- quantum well detectors use the intersubband transitions in quantum wells as an optical transition to excite the detector material (B. Levine, J. of Appl. Phys. - Vol. 74, issue 8, page R1-R81 (15 October 1993)) (S. Gunapala, Physics World, page 4 (December 94)).
- Photoconductive detectors are now widely developed. They are at the heart of some thermal cameras of tomorrow (night vision, in foggy weather ).
- FIG. 1 The operating principle of a photoconductive detector with quantum wells is given in FIG. 1.
- a quantum well semiconductor GaAs / A1 GaAs doped n of which the conduction band BC has been shown.
- An electron located on level 1 is promoted on level 2 by the absorption of an hv photon.
- the photo excited electron can exit the well under the action of an electric field.
- the electron escaping from the well generates the photo-current.
- the typical wavelengths corresponding to these optical transitions are in the middle infrared, between 3 and 15 microns.
- a first limitation of these photoconductive detectors with quantum wells lies in the short recombination times of the excited electrons (A. Yariv, "Quantum Electronics", John Wiley & Sons). It is known to a person skilled in the art that this time determines the generation-recombination noise of the detectors. In the regime where the detector is limited by scene noise (that is to say at a sufficiently low temperature), this does not constitute a limitation since this noise is negligible. On the other hand, at higher temperatures, this limits the performance of photoconductive detectors with quantum wells. Another limitation of these quantum well photoconductive detectors is the large dark currents which pass through the photoconductive detectors. These currents are more and more important when the temperature increases, and saturates the capacities of the reading circuits: this requires the use of limited integration times. These short integration times reduce the performance of cameras using photoconductors.
- the invention proposes a new concept of quantum well detector of the photovoltaic type which delivers a photocurrent, unlike the previous photovoltaic embodiments.
- the amplification of this photocurrent is then easier for reading the signal.
- the life times obtained in the structures of the invention are long and therefore the generation-recombination noises, low. This results in good detectivity as will be explained later.
- the structure can be used without polarization, therefore without dark current, with a very great possibility of signal integration, at the difference from the previous photoconductive realizations (photoconductive detectors with standard quantum wells).
- the subject of the invention is a photovoltaic detector with quantum wells operating at at least one wavelength, comprising a stack of semiconductor layers, inserted between connection electrodes, and a current detection device connected to the said electrodes characterized in that the stack of semiconductor layers comprises a series of M sequences of N quantum wells coupled together, each sequence of N wells comprising at least:
- a first well comprising at least a first discrete level of energy and a last discrete level of energy greater than said first discrete level of energy, so that the absorption of a photon at wavelength, for detection, generates the passage of an electron from the first energy level to the second energy level; - i successive wells, each comprising at least one th th energy level such that the th energy level is greater than the i + i th energy level, with i> 2 and each th th discrete level of energy being between the first discrete level of energy and the last discrete level of energy so as to generate the passage of electrons from a sequence of quantum wells to the next adjacent sequence.
- the pairs of materials with which the quantum well structures are made are of the GaAs / AIGaAs, InGaAs / AlInAs, GaSb / AISb, InGaAs / AIGaAs type.
- the photovoltaic detector can comprise network structures in order to increase its quantum efficiency, situated above a contact layer constituting a connection electrode and transparent at the wavelength of operation of the detector, the network structures used being also known to those skilled in the art.
- the constituent layers of the stack have thicknesses between approximately one nanometer and ten nanometers, while the contact layers have thicknesses close to one micron.
- FIG. 2 illustrates the operating principle of a photovoltaic detector with quantum well according to the prior art
- FIG. 4 shows schematically a sequence consisting of 4 quantum wells coupled together
- FIG. 5 illustrates a first example of quantum structure included in a detector according to the invention
- FIG. 6 illustrates a second example of quantum structure included in a detector according to the invention.
- the quantum well photovoltaic detector according to the invention comprises a series of sequences of quantum wells coupled together.
- Quantum wells are obtained by stacking layers of semiconductor materials with thicknesses such that they create discrete levels of energy in the conduction band.
- Figure 3a illustrates the discrete energy levels of two adjacent quantum wells with the representation of the wave functions whose square describes the density of probability of presence of an electron on said states.
- the excited state 1 1> is aligned with the excited state 12>.
- 2> are disturbed by the proximity of the neighbor.
- the resolution of the Schrodinger equation of the global structure with the two coupled wells reveals two states:
- V2 - an anti-binding state
- FIG. 4 illustrates for this purpose a diagram of a sequence with 4 wells coupled in such a way that discrete energy levels appear on which the wave functions are represented.
- the first well Pi of the sequence includes a first discrete level of energy E p and a second discrete level of higher energy E d .
- E p first discrete level of energy
- E d second discrete level of higher energy
- the three adjacent wells coupled together with the first well respectively have the energy levels E 2 for the well P 2 , E 3 for the well P 3 and E for the well E.
- E d and E 2 levels are better coupled that levels of E and E p, electrons present on the E level to have preferentially tend to pass on the E level 2 instead of level E p.
- the transition time between levels E d and E 2 is 3 picoseconds, the transition time between levels E d and E 2 can be less than the picosecond. This means that there will be more than 3 times more electrons involved in the transition E d ⁇ E 2 than in the transition
- the electrons then present on the level E 2 will preferentially tend to pass on the level E 3 of the well P 3 , then on the level E 4 of the well P.
- the electrons present on the level E 4 then E p of the well of the following sequence are again promoted on the level Ed of said first well of the adjacent sequence.
- the detectivity of the structure according to the invention is given by:
- ⁇ ( ⁇ ) is the quantum efficiency at the wavelength ⁇
- N is the number of periods
- ⁇ the life time between the two levels 1 and 2 participating in the absorption of photons
- E d and EF the energies of the high level of the optical transition and the Fermi level of the electronic population on the low level, respectively (the Fermi level corresponding to the higher level for the continuum of energy levels located around level E p when the material is doped.
- the energy levels involved in absorption are optimized to offer a long lifespan, without degrading absorption too much.
- the detectors according to the invention being photovoltaic detectors, they can operate without polarization and therefore do not have any dark current.
- the superiority of the invention compared to photoconductive quantum well detectors comes from the fact that the dark current of the latter limits the performances.
- the possible integration time is limited by the total charge that the capacity of the read circuit is capable of integrating. Under standard conditions, this time is 5 ms at a temperature of 75 K, and 2 ms at 80 K.
- the photovoltaic detector according to the invention in the absence of dark current, the possibility of integration over a frame time (20 ms) saves a factor of 10 to 80 K, and even more at higher temperature.
- the photovoltaic detectors according to the invention are therefore clearly superior to photoconductive quantum well detectors for higher operating temperatures than usual (in particular above 100 K for an example of an operating wavelength of 8.6 ⁇ m). Good performance for the 3-5 ⁇ m band can be envisaged at temperatures close to ambient.
- Figure 5 provides the potential energies in eV as a function of the positions of the wells (in Angstrom) and shows a sequence and the start of an adjacent sequence and highlights the wave functions of all the constituent wells of the sequence . It clearly appears this downward cascade of wave functions from left to right, illustrating the induced photocurrent.
- a contact layer was put in Al 0 .o 6 Ga 0. 9 As, this layer of GaAs allows growth to end on a stable material.
Abstract
L'invention concerne un détecteur de type photovoltaïque comportant une structure à multipuits quantiques, dans laquelle sont réalisées des séquences de puits adjacents conçus pour créer des niveaux d'énergie intermédiaires décroissants, situés entre un niveau d'énergie supérieure et un niveau d'énergie inférieure impliqués dans l'absorption de photons. On crée ainsi une cascade de niveaux d'énergie permettant de créer un photo-courant qui améliore la détectivité du détecteur photovoltaïque.
Description
DETECTEUR PHOTOVOLTAÏQUE A CASCADE QUANTIQUE
Le domaine de l'invention est celui des détecteurs à puits quantiques, particulièrement intéressants pour détecter des ondes électromagnétiques dans le domaine infrarouge. De manière générale les détecteurs à puits quantiques utilisent les transitions intersousbandes dans les puits quantiques comme transition optique pour exciter le matériau détecteur (B. Levine, J. of Appl. Phys. - Vol. 74, issue 8, page R1-R81 (15 octobre 1993)) (S. Gunapala, Physics World, page 4 (décembre 94)). Les détecteurs photoconducteurs sont maintenant largement développés. Ils sont au cœur de certaines caméras thermiques de demain (vision nocturne, par temps de brouillard...).
Le principe de fonctionnement d'un détecteur photoconducteur à puits quantiques est donné sur la Figure 1. On considère par exemple un puits quantique semi-conducteur GaAs/A1 GaAs dopé n, dont on a représenté la bande de conduction BC. Un électron situé sur le niveau 1 est promu sur le niveau 2 par l'absorption d'un photon hv. L'électron photo excité peut sortir du puits sous l'action d'un champ électrique. L'électron échappé du puits génère le photo-courant. Les longueurs d'onde typiques correspondant à ces transitions optiques se situent dans l'infrarouge moyen, entre 3 et 15 microns.
Une première limitation de ces détecteurs photoconducteurs à puits quantiques réside dans les temps courts de recombinaison des électrons excités (A. Yariv, « Quantum Electronics », John Wiley & Sons). Il est connu de l'homme de l'art que ce temps détermine le bruit de génération- recombinaision des détecteurs. Dans le régime où le détecteur est limité par le bruit de scène (c'est-à-dire à une suffisamment basse température), cela ne constitue pas une limitation car ce bruit est négligeable. En revanche, à plus haute température, ceci limite les performances des détecteurs photoconducteurs à puits quantiques. Une autre limitation de ces détecteurs photoconducteurs à puits quantiques constitue les courants d'obscurité importants qui traversent les détecteurs photoconducteurs. Ces courants sont de plus en plus importants
quand la température augmente, et saturent les capacités des circuits de lecture : ceci impose l'utilisation de temps d'intégration limités. Ces temps d'intégration courts diminuent les performances des caméras utilisant les photoconducteurs.
Dans un détecteur photovoltaïque utilisée sans polarisation, il n'existe pas de courant d'obscurité. De plus, des temps de « vie » plus longs ont été obtenus dans des structures photovoltaïques, dans lesquelles les électrons excités sont envoyés vers un niveau « métastable », le retour à l'équilibre vers le niveau fondamental étant très lent grâce à une barrière de potentiel (E. Rosencher et al., Appl. Phys. Lett. 56, 1822 (1990)). Dans ces structures, les électrons restent globalement au niveau du puits quantique et ne circulent pas. Comme l'illustre la Figure 2, qui met en évidence le confinement des électrons dans le puits. Dans une telle structure photovoltaïque, un électron passe du niveau fondamental 1 au premier niveau excité 2 quand un photon est absorbé. Ceci génère un déplacement de charge, mais l'électron redescend ensuite sur le niveau fondamental et n'a pas traversé la structure : on n'a pas de photoconduction comme dans un détecteur à puits quantique classique, et globalement aucune amélioration des performances n'a été obtenue par ce mécanisme d'amplification (B. Vinter, IEEE J. Quant. Elec, 30, 1 15 (1994)) néanmoins ce type de détecteur permet de minimiser les phénomènes importants de bruit inhérent au détecteur photoconducteur.
Dans ce contexte, l'invention propose un nouveau concept de détecteur à puits quantiques de type photovoltaïque qui délivre un photocourant, à la différence des réalisations photovoltaïques précédentes. L'amplification de ce photocourant est alors plus facile pour la lecture du signal. Dans ces détecteurs photovoltaïques selon l'invention, en outre, les temps de vie obtenus dans les structures de l'invention sont longs et donc les bruits de génération-recombinaison, faibles. Ceci résulte en une bonne détectivité comme cela sera explicité ultérieurement.
La structure peut être utilisée sans polarisation, donc sans courant d'obscurité, avec une possibilité d'intégration du signal très grande, à la
différence des réalisations photoconductrices précédentes (détecteurs photoconducteurs à puits quantiques standards).
Ces deux avantages, indépendants, permettent d'augmenter la température de fonctionnement des détecteurs, à performance égale, ou simplement d'améliorer les performances, à une température donnée.
- Plus précisément l'invention a pour objet un détecteur photovoltaïque à puits quantiques fonctionnant à au moins une longueur d'onde, comprenant un empilement de couches semi-conductrices, inséré entre des électrodes de connexion, et un dispositif de détection de courant connecté aux dites électrodes caractérisé en ce que l'empilement de couches semi-conductrices comprend une série de M séquences de N puits quantiques couplés entre eux, chaque séquence de N puits comportant au moins :
- un premier puits comprenant au moins un premier niveau discret d'énergie et un dernier niveau discret d'énergie supérieur audit premier niveau discret d'énergie, pour que l'absorption d'un photon à la longueur d'onde, de détection, génère le passage d'un électron du premier niveau d'énergie vers le second niveau d'énergie ; - i puits successifs, comprenant chacun au moins un ieme niveau discret d'énergie tel que le ieme niveau d'énergie soit supérieur au i + iemΘ niveau d'énergie, avec i > 2 et chaque ieme niveau discret d'énergie étant compris entre le premier niveau discret d'énergie et le dernier niveau discret d'énergie de manière à générer le passage électrons d'une séquence de puits quantiques, à la séquence suivante adjacente.
Préférentiellement les couples de matériaux avec lesquels sont réalisés les structures de puits quantiques sont de type GaAs/AIGaAs, InGaAs/AlInAs, GaSb/AISb, InGaAs/AIGaAs.
Selon une variante de l'invention, le détecteur photovoltaïque peut comprendre des structures réseaux afin d'augmenter son rendement quantique, situés au-dessus d'une couche de contact constitutive d'une électrode de connexion et transparente à la longueur d'onde de
fonctionnement du détecteur, les structures réseaux utilisées étant par ailleurs connues de l'homme de l'art.
Préférentiellement les couches constitutives de l'empilement ont des épaisseurs comprises entre environ un nanomètre et une dizaine de nanomètres, alors que les couches de contact ont des épaisseurs voisines du micron.
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 figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un détecteur photoconducteur à puits quantique de l'art antérieur ;
- la Figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'art antérieur ;
- les Figures 3a et 3b illustrent respectivement deux puits quantiques adjacents et deux puits quantiques couplés :
- la Figure 4 schématise une séquence constituée de 4 puits quantiques couplés entre eux ;
- la Figure 5 illustre un premier exemple de structure quantique comprise dans un détecteur selon l'invention ; - la Figure 6 illustre un second exemple de structure quantique comprise dans un détecteur selon l'invention.
De manière générale le détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'invention comprend une série de séquences de puits quantiques couplés entre eux.
Nous allons expliciter ci-après la notion de couplage entre puits quantiques.
Les puits quantiques sont obtenus par empilement de couches de matériaux semi-conducteurs d'épaisseurs telles qu'elles mettent la création de niveaux discrets d'énergie dans la bande de conduction.
La Figure 3a illustre les niveaux discrets d'énergie de deux puits quantiques adjacents avec la représentation des fonctions d'onde dont le carré décrit la densité de probabilité de présence d'un électron sur lesdits états. Selon cet exemple l'état excite 1 1 > est aligné avec l'état excité 12>. En diminuant l'épaisseur de la barrière qui sépare les deux puits, les états
| 1 > et | 2> sont perturbés par la proximité du voisin. La résolution de l'équation de Schrodinger de la structure globale avec les deux puits couplés fait apparaître deux états :
- un état liant \L > = ~η= fil > + |2 >)
V2 - un état antiliant |A > = -τ= ll > - |2 >) / 2 comme illustré en Figure 3b.
Dans la structure de l'invention, une série de séquences de N puits couplés est utilisée. La Figure 4 illustre à cet effet, un schéma d'une séquence à 4 puits couplés de telle manière qu'il apparaisse des niveaux discrets d'énergie sur lesquels sont représentés les fonctions d'onde.
Le premier puits Pi de la séquence, comprend un premier niveau discret d'énergie Ep et un second niveau discret d'énergie plus élevée Ed. Lorsque le matériau de ce puits est dopé, la présence d'électrons sur le niveau Ep, favorise le passage d'électrons sur le niveau E lors de l'absorption de photons hv correspond à l'énergie photonique détectée par le détecteur.
Les trois puits adjacents couplés entre eux avec le premier puits présentent respectivement les niveaux d'énergie E2 pour le puits P2, E3 pour le puits P3 et E pour le puits E . Les niveaux Ed et E2 étant mieux couplés que les niveaux Ed et Ep, les électrons présents sur le niveau Ed ont ' préférentiellement tendance à passer sur le niveau E2 plutôt que sur le niveau Ep. Typiquement si le temps de transition entre les niveaux Ed et E2 est de 3 picosecondes, le temps de transition entre les niveaux Ed et E2 peut être inférieur à la picoseconde. Ceci signifie qu'on aura plus de 3 fois plus d'électrons impliqués dans la transition Ed → E2 que dans la transition
Ed → Ep. De même les électrons alors présents sur le niveau E2 auront tendance préférentiellement à passer sur le niveau E3 du puits P3, puis sur le niveau E4 du puits P . Les électrons présents sur le niveau E4 puis Ep du puits de la séquence suivante sont à nouveau promus sur le niveau Ed dudit premier puits de la séquence adjacente.
On crée ainsi un photo-courant au sein de la séquence, sans avoir besoin d'appliquer une tension à la structure. Selon l'invention on parvient à
créer un photo-courant qui traverse l'ensemble de la structure, le mouvement électronique s'effectuant à travers des cascades de niveaux quantiques. Contrairement aux détecteurs photovoltaïques de l'art connu, un courant électronique se produit à travers l'ensemble de la structure et non simplement à l'intérieur d'une cellule de puits quantiques.
La détectivité de la structure selon l'invention est donnée par :
où η(λ) est le rendement quantique à la longueur d'onde λ, et
Avec τ=3ps, N=40, m*=0.067*9.1.10"31 (matériau GaAs), un dopage de
• 2.1011cm"2 et une longueur d'onde de travail de 8.6 μm, en reprenant des chiffres standards pour l'absorption (η(λ)=0.005) ; on arrive à une détectivité de 5.5 1010 cm.Hz1/2W"1 à une température de 80 K, contre une détectivité de
4. 1010 cm.Hz1 2W"1 dans le cas d'un détecteur à puits quantiques photoconducteur standard. Ces chiffres sont obtenus pour la structure de l'exemple 2 décrite ci-après.
Les niveaux d'énergie participants à l'absorption sont optimisés pour offrir un long temps de vie, sans dégrader trop l'absorption.
Les détecteurs selon l'invention étant des détecteurs photovoltaïques, ils peuvent fonctionner sans polarisation et ne présentent donc pas de courant d'obscurité. La supériorité de l'invention par rapport aux détecteurs à puits quantiques photoconducteurs vient du fait que le courant d'obscurité de ces derniers limite les performances. Dans un détecteur à puits quantiques photoconducteur standard (à une longueur d'onde de 8.6 μm), le temps d'intégration possible est limité par la charge totale que la capacité du circuit de lecture est capable d'intégrer. Dans les conditions standard, ce temps est de 5 ms à une température de 75 K, et de 2 ms à 80 K. Dans le détecteur photovoltaïque selon l'invention, en l'absence de courant d'obscurité, la possibilité d'intégration sur un temps de trame (20 ms) fait gagner un facteur 10 à 80 K, et plus encore à plus haute température. Les détecteurs photovoltaïques selon l'invention sont donc nettement supérieurs aux détecteurs à puits quantiques photoconducteurs pour des températures de fonctionnement plus élevées qu'habituellement (en particulier au dessus de 100 K pour un exemple de longueur d'onde de fonctionnement de 8.6 μm). De bonnes performances pour la bande 3-5 μm sont envisageables à des températures proches de l'ambiante.
Nous allons décrire ci-après plus en détails des exemples de détecteurs photovoltaïques selon l'invention.
Exemple 1
Il s'agit d'un détecteur photovoltaïque, optimisé pour fonctionner dans la bande 6 μm. Sur un substrat en GaAs on réalise l'empilement de couches suivantes :
- une première couche de contact inférieure, jouant le rôle d'électrode constituée de GaAs dopé à 1018 cm"3
puis une série de 15 séquences comportant la structure multipuits suivante :
Al0.4oGa0.6oAs non dopé épaisseur 1.69 nm
GaAs non dopé épaisseur 3,39 nm
AI0. oGa0.6oAs non dopé épaisseur 1 ,69 nm
GaAs non dopé épaisseur 2,54 nm AI0. oGa0.6oAs non dopé épaisseur 1 ,69 nm
GaAs non dopé épaisseur 1 ,69 nm
AI0. oGa0.6oAs non dopé épaisseur 2,83 nm
GaAs avec un dopage surfacique de 3.1011cm"2 épaisseur 5.08 nm (fin de la période à répéter 15 fois de manière à définir 15 fois la séquence de puits P-i à P4 ) ; puis une couche en Al0. oGa0.6oAs non dopé d'épaisseur 2nm.
Enfin une couche d'1 μm d'épaisseur de GaAs dopé 1018 cm"3, constituant l'électrode supérieure.
La Figure 5 fournit les énergies potentielles en eV en fonction des positions des puits (en Angstrôm) et montre une séquence et le début d'une séquence adjacente et met en évidence les fonctions d'onde de l'ensemble des puits constitutifs de la séquence. Il apparaît nettement cette cascade descendante de fonctions d'onde de gauche à droite, illustrant le photocourant induit.
Exemple 2
Il s'agit d'un détecteur photo voltaïque, optimisé pour fonctionner dans la bande 8-12 μm. Sur un substrat en GaAs, on réalise de manière identique à l'exemple 1 , une couche de contact en GaAs dopé à 1018cm"3, d'épaisseur 1μm.
Puis on réalise une série de 40 séquences, chaque séquence comportant la structure multipuits suivante :
Alo.34Gao.6eAs non dopé épaisseur 3.39 nm
GaAs non dopé épaisseur 5.93 nm
Alo.34Gao.6eAs non dopé épaisseur 2.26 nm
GaAs non dopé épaisseur 5.08 nm
Al0.34Gao.66As non dopé épaisseur 2.26 nm
GaAs non dopé épaisseur 4.52 nm
Alo.34Gao.6e s non dopé épaisseur 2.26 nm
GaAs non dopé épaisseur 3.95 nm ;
Alo.34Gao.66As non dopé épaisseur 2.26 nm ;
GaAs non dopé épaisseur 3.39 nm ;
Alo.34Gao.6eAs non dopé épaisseur 2.26 nm ; GaAs non dopé épaisseur 2.83 nm ;
Alo.34Gao.66As non dopé épaisseur 2.26 nm ;
GaAs avec un dopage surfacique de 2.1011cm"2 épaisseur 7.63 nm ; (fin de la période à répéter 40 fois de manière à définir 40 fois la séquence de puits Pi à P7) ; puis une couche en AI0.3 Ga0.66As non dopé de 2 nm d'épaisseur.
Enfin une couche en Al0.o6Ga0.9 As dopé 1018cm"3 d'épaisseur 1 μm, constitutive de la couche de contact supérieur. On a mis un léger pourcentage d'Aluminium dans cette couche de contact afin que l'énergie en bande de conduction des porteurs dans ce contact corresponde à l'énergie du niveau fondamental du puits quantique absorbant. De cette manière, les électrons peuvent très facilement passer du contact dans le premier puits quantique absorbant de la série, sans résistance série additionnelle.
On peut avantageusement procéder au dépôt ultime d'une couche de fin de croissance en GaAs dopé 10 8cm"3 d'épaisseur 5 nm. Comme on a mis une couche de contact en Al0.o6Ga0.9 As , cette couche de GaAs permet de terminer la croissance sur un matériau stable.
Le détail de la structure de bande est illustré en Figure 6. Il apparaît là encore très nettement, la cascade descendante de fonctions d'onde, au sein d'une même séquence, illustrant le photo-courant.
Claims
1. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques fonctionnant à au moins une longueur d'onde (λ), comprenant un empilement de couches semi-conductrices, inséré entre des électrodes de connexion, et un dispositif de détection de courant connecté aux dites électrodes caractérisé en ce que l'empilement de couches semi-conductrices comprend une série de M séquences de N puits quantiques couplés entre eux, chaque séquence de N puits comportant au moins :
- un premier puits (P-i) comprenant au moins un premier niveau discret d'énergie (Ep) et un dernier niveau discret d'énergie (Ed) supérieur audit premier niveau discret d'énergie, pour que l'absorption d'un photon à la longueur d'onde (λ), génère le passage d'un électron du premier niveau d'énergie (E-i) vers le second niveau d'énergie (E2) ;
- i puits successifs (Pj), comprenant chacun au moins un iθme niveau discret d'énergie (Ei) tel que le ie e niveau d'énergie (Ej) soit supérieur au i + ieme niveau d'énergie (Ej+j), avec i > 2 et chaque iemθ niveau discret d'énergie étant compris entre le premier niveau discret d'énergie (Ep) et le dernier niveau discret d'énergie (Ed) de manière à générer le passage électrons d'une séquence de puits quantiques, à la séquence suivante adjacente.
2. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque séquence de N puits comporte au moins un puits dopé en électrons.
3. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes de connexion sont des couches semi-conductrices fortement dopées.
4. Détecteur photovoltaïque à puits quantique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les puits quantiques sont définis par l'empilement de couple de couches de matériaux de type GaAs/AIGaAs, InGaAs/AlInAs/ANnAs, GaSb/AISb, InGaAs/AIGaAs.
5. Détecteur photovoltaïque à puits quantique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les épaisseurs des couches de matériaux sont comprises entre environ 1 nanomètre et une dizaine de nanomètres.
6. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que les épaisseurs des électrodes de connexion sont de l'ordre du micron.
7. Détecteur photovoltaïque à puits quantiques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une structure réseau au-dessus d'une électrode de connexion et de l'empilement de couches.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0109754A FR2827709B1 (fr) | 2001-07-20 | 2001-07-20 | Detecteur photovoltaique a cascade quantique |
| FR01/09754 | 2001-07-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2003010829A1 true WO2003010829A1 (fr) | 2003-02-06 |
Family
ID=8865771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2002/002601 WO2003010829A1 (fr) | 2001-07-20 | 2002-07-22 | Detecteur photovoltaique a cascade quantique |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2827709B1 (fr) |
| WO (1) | WO2003010829A1 (fr) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013024624A1 (fr) * | 2011-08-12 | 2013-02-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | Détecteur à cascade quantique |
| JP2015088688A (ja) * | 2013-11-01 | 2015-05-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケード検出器 |
| CN104285135B (zh) * | 2012-05-16 | 2016-08-17 | 浜松光子学株式会社 | 光检测器 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2507291A (en) | 2012-10-24 | 2014-04-30 | Sharp Kk | High operating temperature resonant tunnelling quantum well photodetector |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5165065A (en) * | 1985-04-19 | 1992-11-17 | Texas Instruments Incorporated | Optically pumped quantum coupled devices |
| DE4220620C1 (de) * | 1992-06-24 | 1994-01-20 | Fraunhofer Ges Forschung | Quantentopf-Intersubband-Infrarot-Photodetektor |
| WO1998042028A1 (fr) * | 1997-03-19 | 1998-09-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Detecteur de rayonnement a heterostructure de semi-conducteur pour longueurs d'onde de la zone spectrale infrarouge |
-
2001
- 2001-07-20 FR FR0109754A patent/FR2827709B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-07-22 WO PCT/FR2002/002601 patent/WO2003010829A1/fr active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5165065A (en) * | 1985-04-19 | 1992-11-17 | Texas Instruments Incorporated | Optically pumped quantum coupled devices |
| DE4220620C1 (de) * | 1992-06-24 | 1994-01-20 | Fraunhofer Ges Forschung | Quantentopf-Intersubband-Infrarot-Photodetektor |
| WO1998042028A1 (fr) * | 1997-03-19 | 1998-09-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Detecteur de rayonnement a heterostructure de semi-conducteur pour longueurs d'onde de la zone spectrale infrarouge |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| RAISKY O Y ET AL: "RESONANT ENHANCEMENT OF THE PHOTOCURRENT IN MULTIPLE-QUANTUM-WELL PHOTOVOLTAIC DEVICES", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 74, no. 1, 4 January 1999 (1999-01-04), pages 129 - 131, XP000804572, ISSN: 0003-6951 * |
| SCHNEIDER H ET AL: "HIGH-SPEED INFRARED DETECTION BY UNCOOLED PHOTOVOLTAIC QUANTUM WELLINFRARED PHOTODETECTORS", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 70, no. 12, 24 March 1997 (1997-03-24), pages 1602 - 1604, XP000689444, ISSN: 0003-6951 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013024624A1 (fr) * | 2011-08-12 | 2013-02-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | Détecteur à cascade quantique |
| CN104285135B (zh) * | 2012-05-16 | 2016-08-17 | 浜松光子学株式会社 | 光检测器 |
| JP2015088688A (ja) * | 2013-11-01 | 2015-05-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケード検出器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2827709B1 (fr) | 2003-11-07 |
| FR2827709A1 (fr) | 2003-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2901496B1 (fr) | Composant photovoltaique a fort rendement de conversion | |
| EP3084843B1 (fr) | Elément de détection quantique à faible bruit et procédé de fabrication d'un tel élément de photodétection | |
| FR2803950A1 (fr) | Dispositif de photodetection a microresonateur metal- semiconducteur vertical et procede de fabrication de ce dispositif | |
| EP0566494B1 (fr) | Cavité laser à hétérostructure semi-conductrice dissymétrique à pompage électronique | |
| EP1317786A1 (fr) | Laser a cascades quantiques a excitation par des phonons optiques | |
| JPH10326906A (ja) | 光検出素子及び撮像素子 | |
| EP1314229B1 (fr) | Laser a cascades quantiques | |
| EP0623245A1 (fr) | Detecteur infrarouge a puits quantiques | |
| FR2663787A1 (fr) | Detecteur d'ondes electromagnetiques. | |
| Chamoli et al. | Phase change material based hot electron photodetection | |
| EP0849809A1 (fr) | Détecteur infrarouge à structure quantique, non refroidie | |
| EP3350842B1 (fr) | Photodétecteur à courant d'obscurité réduit | |
| WO2014053386A1 (fr) | Dispositif electronique comprenant des nanostructures en filaments et procede de fabrication de tels dispositifs | |
| FR3053836A1 (fr) | Detecteur de rayonnement et omageur associe | |
| WO2003010829A1 (fr) | Detecteur photovoltaique a cascade quantique | |
| FR2685828A1 (fr) | Laser a semiconducteur. | |
| EP0967662B1 (fr) | Détecteur à puits quantique avec couche de stockage des électrons photoexcites | |
| FR2756420A1 (fr) | Photodiodes a avalanche | |
| FR2687480A1 (fr) | Detecteur photoelectrique a puits quantiques a detectivite amelioree. | |
| EP4078690B1 (fr) | Détecteur de rayonnement et procédé de fabrication associé | |
| EP2382672B1 (fr) | Procédé de fabrication d'une photodiode et photodiode et détecteur de rayonnement electromagnétique correspondants | |
| JP2007149887A (ja) | 半導体−金属−半導体（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＳＭ）型受光素子 | |
| EP2948988B1 (fr) | Structure semiconductrice et procede de fabrication d'une structure semiconductrice | |
| WO2023275320A1 (fr) | Composant optoelectronique insensibles aux dislocations | |
| FR2933542A1 (fr) | Dispositif a cascades quantiques a injecteur haut |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR |
|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |