WO2016001326A1 - Détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde - Google Patents

Détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde Download PDF

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WO2016001326A1
WO2016001326A1 PCT/EP2015/065030 EP2015065030W WO2016001326A1 WO 2016001326 A1 WO2016001326 A1 WO 2016001326A1 EP 2015065030 W EP2015065030 W EP 2015065030W WO 2016001326 A1 WO2016001326 A1 WO 2016001326A1
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wavelength
detector
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wave
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PCT/EP2015/065030
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Giacomo BADANO
Roch Espiau De Lamaestre
Jean-Luc Reverchon
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Definitions

  • Detector capable of detecting a first wavelength and filtering a second wavelength
  • the present invention relates to a detector adapted to detect a first wavelength and to filter a second wavelength and a method for determining the parameters of such a detector.
  • Laser tracking or “laser tracking” in English terminology
  • LIDAR meaning “light detection and ranging” applications
  • a laser beam having a length waveforms belonging to the visible and near-infrared ranges up to 1500 nanometers (nm).
  • a target is illuminated by the laser beam and the reflected radiation is collected to measure the position of the target.
  • the choice of the wavelength of the laser beam meets cost and safety criteria. For example, since the cornea is opaque at 1500 nm, larger laser beam intensities at this wavelength are conceivable.
  • the subject of the invention is a detector capable of detecting a first wavelength and of filtering a second wavelength comprising a grating extending along a longitudinal direction and having repeating structuring with a pitch along the longitudinal direction, the grating being adapted to reflect at least partially an incident wave and the pitch being less than or equal to the first length of wave, a first layer made of a first absorbent dielectric material, and the first layer having a first thickness along a stacking direction perpendicular to the longitudinal direction, the first thickness being less than or equal to the first length of wave, and a second layer superimposed with the first layer along the stacking direction, the second layer having second parameters influencing the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength, the second layer parameters being chosen so that the electric field generated when the detector e st illuminated by a wave at the second wavelength has a node in the first layer.
  • the detector comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the first layer has a first effective index and the network has a pitch, the pitch being equal to the ratio between the first wavelength and the first effective optical index.
  • the first thickness is less than or equal to 2/10 of the first wavelength, preferably less than or equal to 2/100 of the first wavelength.
  • the first layer has a central plane perpendicular to the stacking direction, the second parameters being chosen so that the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength has a node contained in the central plane; of the first layer.
  • the second layer is disposed between the array and the first layer
  • the detector further comprising a third layer arranged so that the first layer is disposed between the second layer and the third layer, the third layer having third parameters influencing the field; generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength, the third parameters being chosen so that the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength has a node in the first wavelength layer.
  • the second layer is made of a second dielectric material having a second optical index and has a second thickness along the stacking direction, the second parameters being the second optical index and the second thickness.
  • the third layer is made of a third dielectric material having a third optical index and has a third thickness along the stacking direction, the third parameters being the third optical index and the third thickness.
  • the first layer has a central plane, the third, parameters being chosen so that the electric field generated when the detector is illuminated by line wave at the second wavelength has a node contained in the central plane of the first layer.
  • the detector further comprises a fourth layer disposed between the second layer and the first layer, the fourth layer having fourth parameters influencing the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength, and a fifth layer disposed between the third layer and the first layer, the fifth layer having fifth parameters influencing the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength.
  • the fourth and fifth parameters are chosen so that the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength has a node in the first layer.
  • the fourth layer is made of a fourth dielectric material having a fourth optical index and has a fourth thickness along the stacking direction, the fourth parameters being the fourth optical index and the fourth thickness and the fifth layer is made in one fifth dielectric material having a fifth optical index and having a fifth thickness along the stacking direction, the fifth parameters being the fifth optical index and the fifth thickness.
  • the dielectric materials of the different layers are semiconductor materials based on materials of columns IIIA and VA of the periodic table.
  • the dielectric materials of the different layers are semiconductor materials based on materials of columns II and VI of the periodic table.
  • the dielectric materials of the different layers are nitrides, silicon oxides or zinc sulphide.
  • the invention also relates to a method for determining the parameters of a detector as previously described, the parameters including at least the second settings.
  • the determination method comprises a step of determination of the parameters, so that the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength has a node in the first layer.
  • the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the method comprises a step of fixing the second initial thickness to a value equal to k * ⁇ 2 / (4 * n 2)
  • n2 is the second index
  • the wave illuminating the detector is a polarized wave in a transverse electric mode or a wave polarized according to a transverse magnetic mode.
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of an exemplary detector according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of an exemplary detector according to a third embodiment of the invention.
  • FIGS. 4 to 8 examples of assemblies of layers obtained during a manufacturing process of the detector according to FIG. 3;
  • FIG. 9 a graph illustrating the spectral variation of the absorption and reflection of a detector with and without structuring in TE mode
  • FIGS. 10 to 18, graphs illustrating the spectral variation of the absorption of a detector according to FIG. 3 for various parameters in TE mode;
  • FIGS. 19 and 20 graphs illustrating the spectral variation of the absorption and reflection of a detector with and without structuring in TM mode for different parameters
  • FIGS. 21 to 24 graphs illustrating the spectral variation of the absorption and reflection of a detector with and without structuring in TM mode.
  • a longitudinal direction is defined. It is also defined a stacking direction. This stacking direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction and contained in the plane of Figure 1. This direction corresponds to a general direction of propagation of light.
  • the longitudinal and stacking directions are respectively symbolized by an axis X and an axis 2 in FIG.
  • the first wavelength ⁇ ⁇ belongs to a frequency band in which the earth's atmosphere is absorbing.
  • a frequency band centered around 1400 nm and 200 nm wide is such a frequency band.
  • the first wavelength ⁇ is equal to 1400 nm.
  • the detector 10 is particularly suitable for laser tracking or laser telemetry applications.
  • the detector is able to operate for an environment having a given absorption band, the difference between the first wavelength ⁇ and the second wavelength ⁇ 2 is related to the width of the absorption band of the environment
  • the difference between the first wavelength and the second wavelength A 2 is less than 200 nm, preferably less than 100 nm.
  • the detector 10 comprises a structured mirror in the form of a grating R extending along the longitudinal direction X, a first layer C1 and a second layer C2.
  • the second layer C2 is superimposed with the first layer C1 along the stacking direction Z.
  • the second layer C2 and the first layer C1 form a stack of layers along the stacking direction Z.
  • the second layer C2 is disposed between the first layer C1 and the network R.
  • the position of the second layer C2 with respect to the first layer C1 is indifferent.
  • the first layer C1 is disposed between the network R and the second layer C2.
  • another layer than the second layer C2 separates the first layer C1 from the network R.
  • the network R is able to reflect at least partially an incident wave.
  • the network R thus plays the role of a mirror in the stacking direction Z. More precisely, the network R has the effect of diffracting the light in a guided mode in the first layer C1 and the desired wavelength. As a result, the guided photon has a very high probability of being absorbed by the first layer C1 although the first layer C1 is relatively thin (because the photon is then located).
  • the network R has a structure repeating with a pitch P along the longitudinal direction X.
  • the structuring is adapted so that the reflection of an incident wave on the network R in the stacking direction Z is maximum.
  • the network R is metallic.
  • the network R is gold.
  • the structuring is rectangular slot with inclined flanks but any other form is possible.
  • the extent of the structuration along the longitudinal direction X is denoted L.
  • the pitch P of the network R is less than or equal to the first wavelength ⁇ 1. This is mathematically written P ⁇ 1.
  • the pitch P of the network R is between 1/10 of the first wavelength ⁇ 1 and 3/4 of the. first wavelength ⁇ 1. This is written mathematically as follows:
  • the structuring has a dimension along the stacking direction Z much smaller than the first wavelength ⁇ 1.
  • the network R is a sub-nanometric R network. Such a network R provided with structures makes it possible to increase the quantum efficiency of the detector 10 by reinforcing the electric field. In addition, the network R supports surface modes.
  • the first layer C1 is made of a first absorbent dielectric material.
  • the first layer C1 has a first thickness e1 along the stacking direction Z.
  • the first thickness e1 is less than or equal to the first wavelength ⁇ 1. This is mathematically written é1 ⁇ ⁇ 1.
  • a thickness e1 of the first relatively low layer C1 makes it possible to limit the absorption of the incident radiation which takes place throughout the light spectrum.
  • the second layer C2 has second parameters P2 influencing the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2.
  • These second parameters P2 are, in general, the parameters of the second layer C2 influencing the propagation of an electric field at the second wavelength ⁇ 2.
  • the second layer C2 is made of a second dielectric material having a second optical index n2.
  • index refers to the refractive index of this medium, which is a dimensionless size characteristic of this medium and describing the behavior of light in this medium.
  • the term “index” refers to the average of the index in this medium.
  • the second layer C2 also has one. second thickness e2 along the stacking direction Z.
  • the second thickness e2 is the distance between the interface of the second layer C2 in contact with the first layer C1 and the highest point of the network R.
  • the second thickness e2 is the distance between this interface and the rectangular structuring.
  • the second parameters P2 are the second optical index n2 and the second thickness e2.
  • the transmission and absorption coefficients of the second layer C2 are the second parameters P2.
  • the second parameters P2 are chosen so that, when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2, the electric field generated in the detector 10 has a node in the first layer C1.
  • the detector 10 has a node in the first layer C1 if one. point of the first layer C1 is such that the amplitude of the electric field is zero over time.
  • the device 10 a Fabry-Perot cavity and a structuring.
  • the two points of view are used interchangeably.
  • the proposed detector 10 has good quantum efficiency at the first wavelength ⁇ 1.
  • This effect is increased if the first layer C1 has a first effective index neffi and the network R has a pitch P equal to the ratio between the first wavelength ⁇ 1 and the first effective optical index neff ! .
  • effective optical index is meant the index associated with a propagation mode.
  • each mode of propagation sees a different index of the materials constituting the medium depending on each mode of propagation.
  • the index seen by each propagation mode defines the effective index.
  • the network R is sized to couple to the largest index guided mode in the first layer C1.
  • a network R satisfying such a relationship makes it possible to increase the light emission in the detector 10 at the first wavelength ⁇ 1 when the latter is illuminated by a wave at the first wavelength ⁇ 1.
  • the proposed detector 10 also has good rejection of the second wavelength ⁇ 2.
  • the detector 10 is easy to implement, which in particular reduces the manufacturing costs of such a detector 10 compared to the costs involved in the manufacture of a detector according to the state of the art.
  • the first thickness e1 is less than 2/10 of the first wavelength ⁇ 1, preferably less than 2/50 of the first wavelength ⁇ 1, preferably less than 2/100 of the first wavelength ⁇ 1. This makes it possible to limit the absorption in the first layer C1 of unguided light in said layer C1, that is to say the light propagating along the stacking direction Z.
  • the first thickness e1 is less than -100 nm, preferably less than 60 nm, preferably less than 50 nm.
  • Another way is to increase the rejection of the detector 10 at the second wavelength ⁇ 2 is to position the node in a central position.
  • the second parameters P2 are chosen so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2 has a node contained in the central plane Pcentral of the first layer C1.
  • a third way of increasing the rejection of the detector 10 at the second wavelength ⁇ 1 is to consider a set of larger layers and to choose the parameters of the additional layer or layers so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2 has a node in the first layer C1.
  • This third way will be illustrated in more detail when the two particular cases of Figures 2 and 3 will be described more precisely in the following description.
  • the dielectric materials of the various layers C1, C2 are semiconductor materials based on materials of columns IIIA and VA of the periodic table or semiconductor materials based on materials of columns II and VI of the periodic table.
  • any passivation material known to those skilled in the art such as, for example, nitrides, silicon oxides or zinc sulphide (ZnS).
  • C1..C2 layers form a typical so-called "ll-VI” or "III-V” semiconductor stack, comprising in particular an absorbing layer and optional optical and electrical passivation layers involving no additional growth step. .
  • no Bragg filter or other types of optical filters obtained by dielectric structures are to be realized.
  • the parameters include at least the second parameters P2.
  • the determination method comprises a step of determining the parameters so that the electric field generated when the detector is illuminated by a wave at the second wavelength A2 has a node in the first layer C1.
  • Such a method makes it possible to obtain a detector 10 having a good quantum efficiency at the first wavelength ⁇ 1.
  • the second initial thickness e2 inti has e and then to optimize the second initial thickness e2 Intia t e for the condition for obtaining a node in the first layer C1 be verified.
  • the second initial thickness e2 in0a ⁇ e is chosen equal to k * ⁇ 2 / (4 * n2) with k an integer.
  • the wave illuminating the detector 10 is a polarized wave in a transverse electric mode or a polarized wave in a transverse magnetic mode.
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment for the detector 10. The elements identical to the first embodiment of FIG. 1 are not described again. Only the differences are highlighted.
  • the detector 10 further comprises a third layer C3 arranged so that the first layer C1 is disposed between the second layer C2 and the third layer C3.
  • the third layer C3 has third parameters P3 influencing the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2.
  • the third parameters P3 influencing the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength A2 are, in general, the parameters of the third layer C3 influencing the propagation of an electric field at the second wavelength ⁇ 2.
  • the third layer C3 is made of a third dielectric material having a third optical index n3 and has a third thickness e3 along the stacking direction Z the third parameters P3 are the third optical index n3 and the third thickness e3.
  • the third parameters P3 are chosen so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength K2 has a node in the first layer C1. .
  • the presence of the third layer C3 makes it possible to increase the rejection of the detector 10 at the second wavelength ⁇ 2.
  • the third parameters P3 are chosen so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength K2 has a node contained in the central plane Pcentral of the first layer C1.
  • the third layer C3 also acts as a passivation layer encapsulating the first layer C1 to protect the first layer C1 from possible chemical reactions with the surrounding layers, which can lead to a degradation of the electrical performance of the detector 10.
  • FIG. 3 illustrates a third embodiment for the detector 10. The elements identical to the second embodiment of FIG. 2 are not described again. Only the differences are highlighted.
  • the detector 10 comprises a fourth layer C4 disposed between the second layer C2 and the first layer C1, the fourth layer C4 having fourth parameters P4 influencing the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2.
  • the fourth parameters P4 are the fourth index optical n4 and the fourth thickness e4.
  • the detector 10 according to the third embodiment also comprises a fifth layer C5 disposed between the third layer C3 and the first layer C1, the fifth layer C5 having fifth parameters P5 influencing the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength A2.
  • the fifth parameters P5 are the fifth optical index n5 and the fifth thickness e5.
  • the fourth parameters P4 and fifth parameters P5 are chosen so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength ⁇ 2 has a node in the first layer C1.
  • the fourth and fifth parameters P4, P5 are chosen so that the electric field generated when the detector 10 is illuminated by a wave at the second wavelength K2 has a node contained in the Pcentral central plane of the first layer C1.
  • the fourth layer C4 and the fifth layer C5 also play a role of the passivation layer while the second layer C2 and the third layer C3 act as a spacer layer, making it possible to move away the first layer C1 of the metal network R and air, in order to preserve the chemical integrity thereof.
  • the fourth layer C4, the first layer C1 and the fifth layer C5 form a pin-type junction.
  • the metal network R can be made either on the surface, before removal of the substrate (see Figure 5), or on the back face once the substrate removed (see Figure 8).
  • FIGS. 4 to 7 illustrate a possible succession of steps for producing a detector _10 according to FIG.
  • FIGS. 4 to 8 illustrate another possible succession of steps for producing a detector 10 according to FIG.
  • Figure 4 illustrates the structure resulting from the growth and supported by the InP substrate.
  • the substrate supports four superimposed layers that are from the nearest to the farthest from the substrate: the third InGaAs layer, the fifth n-type InP layer, the first InGaAs layer, and the fourth n-type InP layer. .
  • Figure 5 shows the deposition of a spacer layer and the metal network R.
  • the substrate then supports five superimposed layers that are going from the nearest at the farthest from the substrate: the third InGaAs layer, the fifth n-type InP layer, the first InGaAs layer and the fourth n-type InP layer, and a layer comprising the second SIN layer and the metal R network. .
  • Figure 6 shows the gluing to the reading circuit (indicated by the characters ROIC in Figure 6). More precisely, the reading circuit is glued to the layer comprising the second layer in SI and the network R in metal.
  • the substrate is removed chemically.
  • the collected light first enters the layer opposite to the reading circuit, that is to say the third InGaAs layer in this configuration of the detector 10 according to FIG.
  • FIG. 7 an assembly according to FIG. 7 is obtained.
  • the reading circuit is bonded to the layer comprising the second layer in SIN and the metal network R.
  • This SiN layer is in contact with the fifth n-type InP layer, the latter being in contact with the first InGaAs layer, the latter being in contact with the p-type InP layer, the latter layer being contact with a layer of Si0 2 passivated called "passivation Si0 2" in Figure 7.
  • Figure 8 shows the final configuration of a rear-illuminated sensor 10 as indicated by the arrows.
  • the light enters through the read circuit.
  • the reading circuit is bonded to a SiN layer not present in the case of Figure 6.
  • the SiN layer then supports five superimposed layers which are going from the nearest to the farthest from the substrate: the third InGaAs layer, the fifth n-type InP layer, the first InGaAs layer and the fourth n-type InP layer and a layer comprising the second SIN layer and the metal R network.
  • the detector 10 according to FIG. 8 comprises a blind hole passing through all the layers except for the reading circuit.
  • FIGS. 2 and 3 are not limiting on the number of layers. In particular, structures with four layers C1, C2, C3, C4 or more than five layers are possible.
  • the fourth and fifth layers C4, C5 are made of InP.
  • the first thickness e1 is known. This raises the question of determining the thicknesses e2, e3, e4 and e5 of the second, third, fourth and fifth layers C2, C3, C4 and C5.
  • the fourth and fifth thicknesses e4 and e5 of the layers C4 and C5 are equal. This relationship is not restrictive and it can be envisaged embodiments in which the fourth thickness e4 and the fifth thickness e5 are different.
  • condition of obtaining a field node in the central plane Pcentral, of the first layer C1 results in a phase condition on the field crossing the third, fourth and fifth layers C3, C4 and C5.
  • the condition of obtaining is written:
  • phase conditions are suitable.
  • a maximum of Fabry-Perot mode is imposed at a wavelength close to ⁇ 2, superimposed on the peak of diffractive origin in order to slow down the mode and to have radiation at non-wavelengths. useful decreasing on both sides of the diffractive peak.
  • a merit figure is defined as the ratio between quantum efficiency at the first wavelength ⁇ 1 and the quantum efficiency at the second wavelength K2.
  • the minimization of the merit figure as a function of the second thickness e2 converges by definition on the best choice of background compatible with the spectral shape of the diffractive peak.
  • the second thickness e2 there is still a degree of freedom on the third, fourth and fifth thickness e3, e4 and e5. As it is supposed that the thicknesses e4 and e5 are equal for simplicity, there remain two degrees of freedom. These two degrees of freedom determine, with the second thickness e2, the guided modes of the detector 10.
  • the skilled person will design the detector 10 by choosing the first thickness e1, then choosing the fourth thickness e4 and the fifth thickness e5 according to the technological constraints of electrical passivation, for example 150 nm and finally choose the second and third thicknesses e2 and e3 according to the technological constraints of distance to the network R and chemical passivation of the interface with air, so quite thick (typically 150 nm) to passivate the layer and to reveal a guided mode.
  • TM mode that is, the incident magnetic field is polarized perpendicular to the plane of incidence
  • plasmon modes are always present for all thicknesses. This property can be exploited to slow down the guided modes with a plasmon mode at the same frequency. However, it is necessary to limit the modal wealth to avoid absorption at all wavelengths.
  • Table 1 Examples adapted to operate in TE mode
  • FIG. 9 shows the evolution of the absorption and the reflection of the detector 10 compared to a detector devoid of the network R respectively.
  • the analysis of FIG. 9 clearly shows the desired effect, namely a detection of a wavelength accompanied by good rejection around.
  • FIG. 10 illustrates the sensitivity of the absorption of the detector 10 with respect to the pitch P of the network R
  • FIG. 11 illustrates the sensitivity of the absorption of the detector 10 with respect to the length L of each structuring
  • FIG. 12 illustrates the sensitivity of the absorption of the detector 10 with respect to the second thickness e2
  • FIG. 13 illustrates the sensitivity of the absorption of the detector 10 with respect to the angle of incidence of the light (an angle d zero incidence corresponding to a light whose main direction is in the stacking direction Z).
  • the parameters considered vary over a range of + or -10% of the nominal value of the parameter, the nominal value being that given in Table 1.
  • the pitch P of the network R allows to choose the wavelength that the detector 10 is able to detect.
  • the second thickness e2 which makes it possible to determine the effective index of the diffraction coupled mode and the incidence also appear as two important parameters for the design of the detector 10.
  • FIGS. 14, 15, 17 and 18 respectively correspond to Figures 10, 11, 12 and 13 for a first e1 thickness of 10 nm instead of a first thickness e1 of 30 nm.
  • FIG. 16 illustrates the sensitivity of the absorption of the detector 10 with respect to the height H of each structuring.
  • Figures 19 and 20 show the evolution of the absorption and reflection of the detector 10 compared to a detector devoid of the network R respectively for a first thickness e1 of 50 nanometers and a first thickness of 10 nanometers.
  • the analysis of Figures 19 and 20 shows the desired effect, namely a detection of a wavelength accompanied by good rejection around.
  • FIGS. 21, 22, 23 and 24 respectively correspond to FIGS. 10, 11, 12 and 13. Again, it appears that at the length L of each structuration is relatively without significant influence for the operation of the detector 10. Other similar tests carried out by the applicant have shown that the height and shape of the structuration were also relatively without significant influence for the operation of the detector 10.
  • the pitch P of the network R allows to choose the wavelength that the detector 10 is able to detect.
  • the second thickness e2 which makes it possible to determine the effective index of the diffraction coupled mode and the incidence also appear as two important parameters for the design of the detector 10.
  • E • d is approximately equal to the dielectric constant of the second layer C2
  • N Spp is roughly equal to the root of e d .
  • the effective index N eff of the guided mode in the first layer C1 is strictly greater than the effective index of the plasmon mode Ns pp since it is close to the indices of the fourth, fifth and first layers C4, C5 and C1, which are higher than that of the second layer C2, which is itself close to the effective plasmon index. Therefore, even in the case where the incident wave is polarized TM, the plasmon is not excited at the first wavelength for which the grating R is sized to diffract the light in a guided mode in the first layer C1.
  • the amplitude of the plasmon mode decreases exponentially from the grating R and along the Z axis in a pattern of the type exp (- ⁇ j) where:
  • Z is the coordinate along the stacking direction Z from the highest point of the network R
  • the dielectric refractive index n d used for the calculation of e d is equal to the average of the index of the second layer C2 and the index of the fourth layer C4, namely 2, 7).
  • n d 0.45 + 8.8 * i according to "Optical constants of solids", Palik, Volume I, pages 293-294 - i denotes the complex number / - ⁇ ) and the first wavelength ⁇ 1 is equal to 1400 nm.
  • the guided mode field is predominant inside the absorbent layer C1.
  • the guided mode field is furthermore strongly localized in the absorbent layer C1.
  • a stack to reduce the background.
  • the design of this stack allows to choose guided modes to benefit from improved absorption at a first wavelength ⁇ 1, without parasitic peaks elsewhere.
  • the stacking allows to couple modes guided to plasmon-polariton modes to benefit from a better angular acceptance.

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Abstract

L'invention concerne un détecteur (10) comprenant : • - un réseau (R) de pas (P) inférieur ou égal à la première longueur d'onde, • - une première couche (C1) réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche (C1) présentant une première épaisseur (e1) le long d'une direction d'empilement (Z), la première épaisseur (e1) étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde, • - une deuxième couche (C2) présentant des deuxièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud dans la première couche (C1).

Description

Détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde
La présente invention concerne un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde et un procédé de détermination des paramètres d'un tel détecteur.
Les applications de suivi laser (ou de « laser tracking » selon la terminologie anglaise) et de LIDAR (acronyme de l'expression en langue anglaise « light détection and ranging » qui signifie télédétection par laser) sont utilisées avec un faisceau laser ayant une longueur d'onde appartenant aux gammes visibles et proche infrarouge jusqu'à 1500 nanomètres (nm). Une cible est illuminée par le faisceau laser et la radiation réfléchie est collectée pour mesurer la position de la cible. Le choix de la longueur d'onde du faisceau laser répond à des critères de coût et de sécurité. Par exemple, comme la cornée est opaque à 1500 nm, des intensités de faisceau du laser plus importantes à cette longueur d'onde sont envisageables.
Pour que la détection de la radiation soit possible pendant la journée, il convient de détecter les rayonnements ayant une longueur d'onde dans une bande étroite où l'atmosphère absorbe une grande partie du rayonnement solaire (ce type de détection est souvent désigné sous le terme anglais de « solar blind détection»). L'atmosphère étant notamment opaque à 1 00 nm, la radiation solaire à cette longueur traverse une couche gazeuse plus épaisse que la radiation réfléchie par la cible. De ce fait, un détecteur fonctionnant à 1400 nm n'est alors pas ébloui par la radiation solaire.
Pour un tel détecteur, il est désiré que trois critères soient vérifiés. Plus précisément, idéalement, il est souhaité une réjection de -30. dB et une largeur à mi- hauteur du pic d'absorption de 100 nm, tout en préservant une efficacité quantique à 1400 nm proche de l'unité.
Il est notamment connu des documents US-A-5 574 286 et US-A-4 731 881 des filtres et du document de Razeghi publié dans IEEE proceedings, 2002, 90, 1006-1014 une structure métallique pour des applications de type « solar blind détection ».
Toutefois, aucune de ces solutions ne permettent d'obtenir une réjection de -30dB de manière aisée.
Il existe donc un besoin pour un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde avec une meilleure réjection et qui soit de mise en œuvre plus aisée.
A cet effet, l'invention a pour objet un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde comprenant un réseau s'étendant le long d'une direction longitudinale et présentant une structuration se répétant avec un pas le long de la direction longitudinale, le réseau étant propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente et le pas étant inférieur ou égal à la première longueur d'onde, une première couche réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche présentant une première épaisseur le long d'une direction d'empilement perpendiculaire à la direction longitudinale, la première épaisseur étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde, et une deuxième couche superposée avec la première couche le long de la direction d'empilement, la deuxième couche présentant des deuxièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud dans la première couche.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le détecteur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la première couche présente un premier indice effectif et le réseau présente un pas, le pas étant égal au rapport entre la première longueur d'onde et le premier indice optique effectif.
- lé première épaisseur est inférieure ou égale à 2/10 de la première longueur d'onde, de préférence inférieure ou égale à 2/100 de la première longueur d'onde.
- la première couche présente un plan central perpendiculaire à la direction d'empilement, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud contenu dans le plan central de la première couche.
- la deuxième couche est disposée entre le réseau et la première couche, le détecteur comprenant en outre une troisième couche disposée de sorte que la première couche soit disposée entre la deuxième couche et la troisième couche, la troisième couche présentant des troisièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les troisièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud dans la première couche.
- la deuxième couche est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique et présente une deuxième épaisseur le long de la direction d'empilement, les deuxièmes paramètres étant le deuxième indice optique et la deuxième épaisseur.
- la troisième couche est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique et présente une troisième épaisseur le long de la direction d'empilement, les troisièmes paramètres étant le troisième indice optique et la troisième épaisseur.
- la première couche présente un plan central, les troisièmes, paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par line onde à la deuxième longueur d'onde présente un n ud contenu dans le plan central de la première couche.
- le détecteur comprend, en outre, une quatrième couche disposée entre la deuxième couche et la première couche, la quatrième couche présentant des quatrièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, et une cinquième couche disposée entre la troisième couche et la première couche, la cinquième couche présentant des cinquièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde. Les quatrièmes paramètres et cinquièmes paramètres sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud dans la première couche.
- la quatrième couche est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique et présente une quatrième épaisseur le long de la direction d'empilement, les quatrièmes paramètres étant le quatrième indice optique et la quatrième épaisseur et la cinquième couche est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique et présente une cinquième épaisseur le long de la direction d'empilement, les cinquièmes paramètres étant le cinquième indice optique et la cinquième épaisseur.
- les matériaux diélectriques des différentes couches sont des matériaux semiconducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique.
- les matériaux diélectriques des différentes couches sont des matériaux semiconducteurs à base de matériaux des colonnes II et VI de la classification périodique.
- les matériaux diélectriques des différentes couches sont des nitrures, des oxydes de silicium ou du sulfure de zinc.
L'invention concerne aussi un procédé de détermination des paramètres d'un détecteur tel que précédemment décrit, les paramètres incluant au moins les deuxièmes paramètres. Le procédé de détermination comporte une étape de détermination des paramètres, pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud dans la première couche. Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le procédé comporte une étape de fixation de la deuxième épaisseur initiale à une valeur égale à k*Â2/(4*n2)
Où
• n2 est le deuxième indice, .
• λ2 est la deuxième longueur d'onde, et
• k est un entier.
- à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon -un mode transverse magnétique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- figure 1 , une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- figure 2, une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- figure 3, une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- figures 4 à 8, des exemples d'assemblages de couches obtenus lors d'un procédé de fabrication du détecteur selon la figure 3 ;
- figure 9, un graphe illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TE ;
- figures 10 à 18, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption d'un détecteur selon la figure 3 pour différents paramètres en mode TE ;
- figures 19 et 20, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TM pour différents paramètres, et - figures 21 à 24, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TM.
Pour la suite de la description, il est défini une direction longitudinale. Il est également défini une direction d'empilement. Cette direction d'empilement est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et contenue dans le plan de la figure 1. Cette direction correspond à une direction générale de propagation de la lumière. Les directions longitudinale et d'empilement sont respectivement symbolisées par un axe X et un axe 2 sur la figure 1.
Une voie permettant de renforcer l'absorption d'un semi-conducteur autour d'une longueur d'onde donnée tout en garantissant la réjection des autres longueurs d'onde est la concentration de photons via des nanostructures métalliqués. Dans ce qui suit, il est proposé un choix judicieux de la géométrie de la structure ainsi que des paramètres d'empilement technologique permettant, avec une seule structuration, de renforcer l'absorption et d'augmenter la réjection. Autrement dit, il est proposé une structure métallique couplée aux propriétés optiques d'un empilement pour renforcer le champ et filtrer les longueurs d'ondes adjacentes.
Il est proposé de dimensionner un dispositif comprenant à la fois une cavité Fabry- Pérot et une structuration à proximité d'une couche absorbante pour obtenir un détecteur 10 propre à détecter une première longueur d'onde AÏ et à filtrer une deuxième longueur d'onde λ2. Ce détecteur 10 est représenté à la figure 1.
De préférence, la première longueur d'onde λΊ appartient à une bande de fréquences dans laquelle l'atmosphère terrestre est absorbante. Par exemple, une bande de fréquences centrée autour de 1400 nm et de largeur 200 nm est une telle bande de fréquences. A titre d'illustration, la première longueur d'onde ^ est égale à 1400 nm.
Lorsque la première longueur d'onde Ai appartient à une bande dé fréquences dans laquelle l'atmosphère terrestre est absorbante, le détecteur 10 est particulièrement adapté pour des applications de suivi laser ou de télémétrie laser.
Avantageusement, le détecteur est propre à fonctionner pour un environnement présentant une bande d'absorption donnée, la différence entre la première longueur d'onde λι et la deuxième longueur d'onde λ2 est liée à la largeur de la bande d'absorption de l'environnement
De préférence, la différence entre la première longueur d'onde et la deuxième longueur d'onde A2 est inférieure à 200 nm, de préférence inférieure à 100 nm. Le détecteur 10 comporte un miroir structuré sous la forme d'un réseau R s'étendant le long de la direction longitudinale X, une première couche C1 et une deuxième couche C2.
La deuxième couche C2 est superposée avec la première couche C1 le long de la direction d'empilement Z. Ainsi, la deuxième couche C2 et la première couche C1 forment un empilement de couches le long de la direction d'empilement Z.
Selon la figure 1 , la deuxième couche C2 est disposée entre la première couche C1 et le réseau R.
Toutefois, la position de la deuxième couche C2 par rapport à la première couche C1 est indifférente. En effet, en variante, la première couche C1 est disposée entre le réseau R et la deuxième couche C2. De préférence, dans ce cas, une autre couche que la deuxième couche C2 sépare la première couche Cl du réseau R.
Le réseau R est propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente. Le réseau R joue ainsi le rôle d'un miroir dans la direction d'empilement Z. Plus précisément, le réseau R a pour effet de diffracter la lumière dans un mode guidé dans la première couche C1 et la longueur d'onde voulue. De ce fait, le photon guidé a une probabilité très élevée d'être absorbé par la première couche C1 bien que la première couche C1 soit relativement fine (car le photon est alors localisé).
Le réseau R présente une structuration se répétant avec un pas P le long de la direction longitudinale X.
De préférence, la structuration est adaptée pour que la réflexion d'une onde incidente sur le réseau R dans la direction d'empilement Z soit maximale.
Pour accentuer cet effet, le réseau R est métallique. Par exemple, le réseau R est en or.
Par exemple, la structuration est en créneau rectangulaire avec des flancs inclinés mais tout autre forme est envisageable. Pour la suite, l'étendue de la structuration le long de la direction longitudinale X est notée L.
Le pas P du réseau R est inférieur ou égal à la première longueur d'onde λ1. Ceci s'écrit mathématiquement P λ1.
De préférence, le pas P du réseau R est compris entre 1/10 de la première longueur d'onde λ1 et 3/4 de la. première longueur d'onde λ1. Ceci s'écrit mathématiquement de la manière suivante :
1/10. Â1 < P < 3/4. λ1
De préférence, la structuration présente une dimension le long de la direction d'empilement Z très inférieure à la première longueur d'onde λ1. Le réseau R est un réseau R sub-nanométrique. Un tel réseau R pourvu de structurations permet d'augmenter l'efficacité quantique du détecteur 10 en renforçant le champ électrique. En outre, le réseau R supporte des modes de surface.
La première couche C1 est réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant.
La première couche C1 présente une première épaisseur e1 le long de la direction d'empilement Z. La première épaisseur e1 est inférieure ou égale à la première longueur d'onde λ1. Ceci s'écrit mathématiquement é1 ≤ λ1. Une épaisseur e1 de la première couche C1 relativement faible permet de limiter l'absorption du rayonnement incident qui a lieu dans tout le spectre lumineux.
La deuxième couche C2 présente des deuxièmes paramètres P2 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde λ2.
Ces deuxièmes paramètres P2 sont, de manière générale, les paramètres de la deuxième couche C2 influençant la propagation d'un champ électrique à la deuxième longueur d'onde Λ2.
Il est possible de choisir d'exprimer les deuxièmes paramètres P2 de différentes manières. '
Par exemple, la deuxième couche C2 est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique n2. Lorsque le terme « indice » est utilisé pour un milieu, ce terme renvoie à l'indice de réfraction de ce milieu, qui est une grandeur sans dimension caractéristique de ce milieu et décrivant le comportement de la lumière dans ce milieu. Dans le cas où le milieu est à gradient d'indice, le terme « indice » renvoie à la moyenne de l'indice dans ce milieu. La deuxième couche C2 présente aussi une . deuxième épaisseur e2 le long de la direction d'empilement Z. La deuxième épaisseur e2 est la distance entre l'interface de la deuxième couche C2 en contact avec la première couche C1 et le point le plus haut du réseau R. En l'occurrence, la deuxième épaisseur e2 est la distance entre cette interface et la structuration rectangulaire. Dans ce cas, les deuxièmes paramètres P2 sont le deuxième indice optique n2 et la deuxième épaisseur e2.
En variante, les coefficients de transmission, d'absorption de la deuxième couche C2 sont les deuxièmes paramètres P2.
Les deuxièmes paramètres P2 sont choisis pour que, lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde λ2, le champ électrique généré dans le détecteur 10 présente un n ud dans la première couche C1. Le détecteur 10 présente un nœud dans la première couche C1 si un. point de la première couche C1 est telle que l'amplitude du champ électrique est nulle au cours du temps.
De manière alternative et équivalente, il peut être considéré que le dispositif 10 une cavité Fabry-Pérot et une structuration. Dans la suite de la description, les deux points de vue sont utilisés indifféremment.
Le détecteur 10 proposé présente une bonne efficacité quantique à la première longueur d'onde λ1.
Cet effet est augmenté si la première couche C1 présente un premier indice effectif neffi et le réseau R présente un pas P égal au rapport entre la première longueur d'onde Λ1 et le premier indice optique effectif neff! .
On entend par indice optique effectif l'indice associé à un mode de propagation. En effet, selon la répartition de champ, chaque mode de propagation voit un : indice différent des matériaux constituant le milieu dépendant de chaque mode de propagation. L'indice vu par chaque mode de propagation définit l'indice effectif.
Cette relation s'écrit mathématiquement
P = λ1 /neffi
Ainsi, le réseau R est dimensionné de façon à coupler au mode guidé d'indice le plus grand dans la première couche C1.
Un réseau R vérifiant une telle relation permet d'augmenter l'émission de lumière dans le détecteur 10 à la première longueur d'onde λ1 lorsque celui-ci est éclairé par une onde à la première longueur d'onde λ1.
Le détecteur 10 proposé présente également une bonne réjection de la deuxième longueur d'onde λ2.
En outre, le détecteur 10 est aisé à mettre en œuvre, ce qui diminue notamment les coûts de fabrication d'un tel détecteur 10 comparés aux coûts impliqués dans la fabrication d'un détecteur selon l'état de la technique.
Pour augmenter encore la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde Λ2, dans un mode de réalisation, la première épaisseur e1 est inférieure à 2/10 de la première longueur d'onde λ1 , préférentiellement inférieure à 2/50 de la première longueur d'onde λ1 , de préférence inférieure à 2/100 de la première longueur d'onde λ1. Cela permet de limiter l'absorption dans la première couche C1 de lumière non guidée dans ladite couche C1 , c'est-à-dire la lumière se propageant le long de la direction d'empilement Z. De manière alternative, la première épaisseur e1 est inférieure à -100 nm, préférentiellement inférieure à 60 nm, de préférence inférieure à 50 nm.
Une autre manière est d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde Λ2 est de positionner le n ud dans une position centrale. Par exemple Lorsque la première couche C1 présente un plan central Pcentral perpendiculaire à la direction d'empilement Z, pour augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde λ2, les deuxièmes paramètres P2 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde Λ2 présente un nœud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1.
Une troisième manière d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde λ1 est de considérer un ensemble de couches plus importants et de choisir les paramètres de la ou des couches additionnelles de sorte que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde λ2 présente un nœud dans la première couche C1. Cette troisième manière sera illustrée plus en détail lorsque les deux cas particuliers des figures 2 et 3 seront décrits plus précisément dans la suite de la description.
Pour obtenir une réjection optimale, il est possible de combinër les trois approches précédentes, c'est-à-dire combiner une première épaisseur e1 relativement faible de la première couche C1 , positionner le nœud dans une position centrale et ajouter une ou plusieurs couches additionnelles.
A titré d'exemple, les matériaux diélectriques des différentes couches C1, C2 sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique ou des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes II et VI de la classification périodique.
Selon un autre exemple, il est également considéré pour les matériaux des différentes couches C1, C2 tout matériau de passivation connu de l'homme du métier, comme par exemple les nitrures, les oxydes de silicium ou le sulfure de zinc (ZnS).
Cela permet d'obtenir un détecteur 10 de fabrication aisée. Ces couches C1..C2 forment un empilement typique de semi-conducteur dit « ll-VI » ou « lll-V », comprenant notamment une couche absorbante et en option des couches de passivation optique et électrique n'impliquant aucune étape supplémentaire de croissance. En particulier, aucun filtre de Bragg ou autres types de filtres optiques obtenus par des structures diélectriques ne sont à réaliser. Il est également proposé un procédé de détermination des paramétrés du détecteur 10 présenté en référence à la figure 1. Les paramétrés incluent au moins les deuxièmes paramètres P2. Le procédé de détermination comporte une étape de détermination des paramètres pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde A2 présente un n ud dans la première couche C1.
Un tel procédé permet d'obtenir un détecteur 10 présentant une bonne efficacité quantique à la première longueur d'onde Λ1.
Pour faciliter la convergence du procédé de détermination, il est avantageux de fixer une deuxième épaisseur initiale e2intiaie et d'optimiser ensuité cette deuxième épaisseur initiale e2intÎate pour que la condition d'obtention d'un nœud dans la première couche C1 soit vérifiée. A l'étape de fixation, la deuxième épaisseur initiale e2in0a\e est choisie égale à k*Â2/(4*n2) avec k un entier.
En outre, avantageusement, à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur 10 est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon un mode transverse magnétique.
La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation pour le détecteur 10. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence.
Le détecteur 10 comprend, en outre, une troisième couche C3 disposée de sorte que la première couche C1 soit disposée entre la deuxième couche C2 et la troisième couche C3.
La troisième couche C3 présentent des troisièmes paramètres P3 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde Â2.
De même que pour les deuxièmes paramètres P2, les troisièmes paramètres P3 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde A2 sont, de manière générale, les paramètres de la troisième couche C3 influençant la propagation d'un champ électrique à la deuxième longueur d'onde Λ2.
A titre d'exemple particulier, la troisième couche C3 est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique n3 et présente une troisième épaisseur e3 le long de la direction d'empilement Z les troisièmes paramètres P3 sont le troisième indice optique n3 et la troisième épaisseur e3. De manière générale, les troisièmes paramètres P3 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde K2 présente un nœud dans la première couche C1 . .
La présence de la troisième couche C3 permet d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde Â2.
De préférence, pour augmenter encore plus cette réjection, les troisièmes paramètres P3 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde K2 présente un n ud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1.
En outre, dans certains modes de réalisation, la troisième couche C3 joue également un rôle de couche de passivation encapsulant la première couche C1 pour protéger la première couche C1 d'éventuelles réactions chimiques avec les couches environnantes, pouvant entraîner une dégradation des performances électriques du détecteur 10.
La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation pour le détecteur 10. Les éléments identiques au deuxième mode de réalisation de la figure 2 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence.
Le détecteur 10 comprend une quatrième couche C4 disposée entre la deuxième couche C2 et la première couche C1 , la quatrième couche C4 présentant des quatrièmes paramètres P4 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde λ2.
Des remarques similaires à celles faites pour les deuxièmes paramètres P2 s'appliquent pour les quatrièmes paramètres P4. Notamment, à titre d'exemple, si la quatrième couche C4 est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique n4 et présente une quatrième épaisseur e4 le long de la direction d'empilement Z, les quatrièmes paramètres P4 sont le quatrième indice optique n4 et la quatrième épaisseur e4.
Le détecteur 10 selon le troisième mode de réalisation comprend également une cinquième couché C5 disposée entre la troisième couche C3 et la première couche Cl , la cinquième couche C5 présentant des cinquièmes paramètres P5 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde A2.
Des remarques similaires à celles faites pour les deuxièmes paramètres P2 s'appliquent pour les cinquièmes paramètres P5. Notamment, à titre d'exemple, si la cinquième couche C5 est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique n5 et présente une cinquième épaisseur e5 le long de la direction d'empilement Z, les cinquièmes paramètres P5 sont le cinquième indice optique n5 et la cinquième épaisseur e5.
Les quatrièmes paramètres P4 et cinquièmes paramètres P5 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde λ2 présente un nœud dans la première couche C1.
La présence des quatrième et cinquième couches C4, C5 permet d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde Λ2.
De préférence, pour augmenter encore plus cette réjection, les quatrièmes et cinquièmes paramètres P4, P5 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde K2 présente un n ud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1.
En outre, dans certains modes de réalisation, la quatrième couche C4 et la cinquième couche C5 jouent également un rôle dé couche de passivation tandis que la deuxième couche C2 et la troisième couche C3 jouent un rôle de couche d'espacement, permettant d'éloigner la première couche C1 du réseau R métallique et de l'air, afin d'en préserver l'intégrité chimique.
Plus précisément, la quatrième couche C4, la première couche C1 et la cinquième couche C5 forme une jonction de type pin.
De nouveau, il peut être observé que dans le mode de réalisation de la figure 3, comme pour les deux modes de réalisation précédents, la fabrication est aisée ainsi que le montrent les figures 4 à 8.
Le réseau R métallique peut être réalisé soit sur la surface, avant le retrait du substrat (voir figure 5), soit sur la face arrière une fois le substrat retiré (voir figure 8).
Les figures 4 à 7 illustrent une succession possible d'étapes de réalisation d'un détecteur _10 selon la figure 3.
Les figures 4 à 8 illustrent une autre succession possible d'étapes de réalisation d'un détecteur 10 selon la figure 3.
La figure 4 illustre la structure issue de la croissance et supportée par le substrat InP. Le substrat supporte quatre couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n.
La figure 5 montre le dépôt d'une couche d'espacement et du réseau R métallique. Le substrat supporte alors cinq couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n et une couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique.
La figure 6 montre le collage au circuit de lecture (indiquée par les lettrés ROIC sur la figure 6). Plus précisément, le circuit de lecture est collé à la couche comportant la deuxième couche en SI et le réseau R métallique.
Le substrat est retiré par voie chimique. La lumière collectée rentre d'abord par la couche opposée au circuit de lecture, c'est-à-dire la troisième couche en InGaAs dans cette configuration du détecteur 10 selon la figure 3.
Plus précisément, après passivation, il est obtenu un assemblage selon la figure 7. Dans cette figure .7, depuis le bas vers le haut, le circuit de lecture est collé à la couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique. Cette couche en SiN est en contact avec la cinquième couche en InP de type n, celle-ci étant en contact avec la première couche en InGaAs, celle-ci étant en contact avec la couche en InP de type p, cette dernière couche étant en contact avec une couche de Si02 passivèe appelée « passivation Si02 » sur la figure 7.
De manière alternative, la figure 8 montre la configuration finale d'un détecteur 10 illuminé par la face arrière ainsi que l'indiquent les flèches. Dans ce cas, la lumière rentre par le circuit de lecture. En outre, le circuit de lecture est collé à une couche en SiN non présente dans le cas de la figuré 6. La couche en SiN supporte alors cinq couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n et une couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique. De plus, le détecteur 10 selon la figure 8 comporte un trou borgne traversant toutes les couches à l'exception du circuit de lecture
Comme expliqué précédemment, les structures des figures 2 et 3 ne sont pas limitatives sur le nombre de couches. En particulier, des structures à quatre couches C1 , C2, C3, C4 ou à plus de cinq couches sont envisageables.
Dans la suite de la description, des exemples de performances obtenues pour un détecteur 10 présentant cinq couches C1 , C2, C3, C4, C5 sont présentées après avoir détailler un exemple de détermination des différents paramètres des différentes couches C1 , C2, C3 C4, C5 du détecteur 0 selon la figure 3.
Afin de minimiser l'absorption de la radiation à des longueurs d'onde non utiles du détecteur 10, il est possible de bénéficier du Fabry Pérot du détecteur 10 en imposant un minimum à une longueur d'onde K2 de réjection donnée. A titré illustratif, il est choisi que λ1 = 1400 nm et que K2 = 1300 nm.
Il est considéré, pour la suite, que la première couche C1 est réalisée en d'InGaAs d'indice n1 =3,56 + 0, 18i et que les deuxième et troisième couches C2 et C3 sont réalisées respectivement en SIN et en InGaAs avec un deuxième et troisième indice. Les indices associés sont tels que n2=n3=3,18. En outre, les quatrième et cinquième couches C4, C5 sont réalisées en InP.
Il est supposé que la première épaisseur e1 est connue. Il se pose alors la question de la détermination des épaisseurs e2, e3, e4 et e5 des deuxième, troisième, quatrième et cinquième couches C2, C3, C4 et C5. A titre d'illustration, il est en outre supposé que les quatrième et cinquième épaisseurs e4 et e5 des couches C4 et C5 sont égales. Cette relation n'est pas contraignante et il peut être envisagé des modes de réalisation dans lesquels la quatrième épaisseur e4 et la cinquième épaisseur e5 sont différentes.
La condition d'obtention d'un nœud de champ dans le plan central Pcentral, de la première couche C1 se traduit en une condition de phase sur le champ traversant les troisième, quatrième et cinquième couches C3, C4 et C5. La condition d'obtention s'écrit :
φ1 + φ2- φ1 + π= 0 [ττ]
où :
• φ1 est la phase cumulée suite à la traversée des troisième et cinquième couches C3 et C5 et de la moitié de la première couche C1 , et
• φ2 est la phase totale de l'onde réfléchie par le réseau R.
Cette condition se traduit par une condition sur les épaisseurs e1 , e4, e5 des première, quatrième et cinquième touches C1 , C4 et C5 uniquement. Explicitement, en exprimant les phases comme des chemins optiques, la condition s'écrit :
n1 e1 +2 n2 e2 + 2 n3 é3+ λ2/2= 0 [λ2] (relation 1 )
Toutefois, il est à noter que d'autres conditions de phase conviennent. Par exemple, alternativement un maximum de mode Fabry-Pérot est imposé à une longueur d'onde proche de λ2, se superposant au pic d'origine diffractive afin de ralentir le mode et de disposer d'une radiation à des longueurs d'onde non utiles décroissant des deux cotés du pic diffractif.
Du fait de la perturbation introduite par l'absorption de la première couche C1 , le fonctionnement du Fabry Pérot s'éloigne de l'idéalité décrite par la relation 1 . Ainsi, seul le calcul numérique de la relation 1 donne les épaisseurs correctes. Pour une telle optimisation numérique, une figure de mérite (FOM) est définie comme le rapport entre l'efficacité quantique à la première longueur d'onde λ1 et l'efficacité quantique à la deuxième longueur d'onde K2. La minimisation de la figure de mérite en fonction de la deuxième épaisseur e2 converge par définition sur le meilleur choix de background compatible avec la forme spectrale du pic diffractif. v...
Une fois fixée la deuxième épaisseur e2, il reste encore un degré de liberté sur les troisième, quatrième et cinquième épaisseurs e3, e4 et e5. Comme il est supposé que les épaisseurs e4 et e5 sont égales par simplicité, il reste deux degrés de liberté. Ces deux degrés de liberté déterminent, avec la deuxième épaisseur e2, les modes guidés du détecteur 10.
Selon l'invention, il est proposé de considérer des modes très localisés et isolés dans l'espace dès paramètres, pour éviter le recouvrement entre modes et l'apparition de pics parasites à des longueurs d'onde proches de la première longueur d'onde λ .
En polarisation TE ou mode TE (absence de plasmons c'est-à-dire que le champ électrique incident est polarisé perpendiculairement au plan d'incidence), sans rentrer dans le détail du calcul modal d'un empilement comme celui de figure 3, il est possible d'exploiter le contraste d'indice entre les matériaux des deuxième et troisième couches C2, C3 (diélectriques d'indice proche de 2) et les matériaux des première, quatrième et cinquième couches C1 , C4 et C5 (semi-conducteurs d'indice supérieur à 3). Dès lors, l'homme du métier saura concevoir le détecteur 10 en choisissant la première épaisseur e1 , puis en choisissant la quatrième épaisseur e4 et la cinquième épaisseur e5 selon les contraintes technologiques de passivation électrique, par exemple 150 nm et enfin, choisir les deuxième et troisième épaisseurs e2 et e3 selon les contraintes technologiques de distance au réseau R et de passivation chimique de l'interface avec l'air, donc assez épais (typiquement 150 nm) pour passiver la couche et pour faire apparaître un mode guidé.
En mode TM (c'est-à-dire que le champ magnétique incident est polarisé perpendiculairement au plan d'incidence), des modes plasmon sont toujours présents pour toutes les épaisseurs. Cette propriété peut être exploitée pour ralentir les modes guidés avec un mode plasmon à la même fréquence. Toutefois, il convient de limiter la richesse modale pour éviter l'absorption à toutes longueurs d'onde.
Grâce aux règles de dimensionnement données, plusieurs variantes de détecteurs 10 ayant essentiellement les mêmes performances sont concevables en mode TE pour λ1 = 1400nm et λ2 = 1300 nm. L'optimisation numérique basée sur la FOM donne les valeurs du tableau 1 ci-dessous. Dans ces premiers calculs numériques, la première couche C1 est en InGaAs alors que le réseau R est en or.
Figure imgf000018_0001
Tableau 1 : Exemples adaptés à fonctionner en mode TE
Pour une première épaisseur e1 de 30 nanomètres, la figure 9 montre l'évolution de l'absorption et de la réflexion du détecteur 10 comparé à un détecteur dépourvu du réseau R respectivement. L'analyse de la figure 9 montre bien l'effet voulu, à savoir une détection d'une longueur d'onde accompagnée d'une bonne réjection autour.
Egalement pour une première épaisseur e1 de 30 nanomètres, les courbes des figures 10 à 13 présentent l'évolution de l'absorption du détecteur 10 en fonction de la longueur d'onde pour des paramètres différents. Plus précisément, la figure 10 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport au pas P du réseau R, la figure 11 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la longueur L de chaque structuration ; la figure 12 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la deuxième épaisseur e2 et la figure 13 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à l!angle d'incidence de la lumière (un angle d'incidence nul correspondant à une lumière dont la direction principale est selon la direction d'empilement Z). Dans le cas des figures 10 à 12, les paramètres considérés évoluent sur plage de + ou -10% de la valeur nominale du paramètre, la valeur nominale étant celle donnée par le tableau 1.
A l'examen des figures 10 à 13, il apparaît que la longueur L de chaque structuration est relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10. D'autres tests similaires effectués par la demanderesse ont montré que la hauteur et la forme de là structuration étaient également relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10.
Comme attendu, le pas P du réseau R permet de choisir la longueur d'onde que le détecteur 10 est propre à détecter. La deuxième épaisseur e2 qui permet dé déterminer l'indice effectif du mode couplé par diffraction et l'incidence apparaissent également comme deux paramètres importants pour la conception du détecteur 10.
Les figures 14, 15, 17 et 18 correspondent respectivement aux figures 10, 11 , 12 et 13 pour une première épaisseur e1 de 10 nm au lieu d'une première épaisseur e1 de, 30 nm. La figure 16 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la hauteur H de chaque structuration. A l'examen des courbes proposées dans lés figures 14 à 18, il apparaît que les mêmes conclusions que celles dressées à partir de l'examen des figures 10 à 13 s'appliquent.
Similairement au cas des exemples 1 à 11 , plusieurs variantes de détecteurs 10 sont concevables en mode TM pour λ1 ·= 1400 nm et A2 = 1300 nm. L'optimisation numérique donne les valeurs du tableau 2 ci-dessous :
Figure imgf000019_0001
Tableau 2 : Exemples adaptés à fonctionner en mode TM
Il est à noter qu'en fonctionnement, il est observé la présence simultanée d'une excitation plasmon polariton et d'un mode transverse magnétique guidé.
Les figures 19 et 20 montrent l'évolution de l'absorption et de la réflexion du détecteur 10 comparé à un détecteur dépourvu du réseau R respectivement pour une première épaisseur e1 de 50 nanomètres et une première épaisseur de 10 nanomètres. L'analyse des figures 19 et 20 montre bien l'effet voulu, à savoir une détection d'une longueur d'onde accompagnée d'une bonne réjection autour.
Pour une première épaisseur e1 de 10 nanomètres et un fonctionnement en mode TM, les figures 21 ,22, 23 et 24 correspondent respectivement aux figures 10, 1 1 , 12 et 13. De nouveau, il apparaît que à la longueur L de chaque structuration est relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10. D'autres tests similaires effectués par la demanderesse ont montré que la hauteur et la forme de la structuration étaient également relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10.
En outre, comme attendu, le pas P du réseau R permet de choisir la longueur d'onde que le détecteur 10 est propre à détecter. La deuxième épaisseur e2 qui permet de déterminer l'indice effectif du mode couplé par diffraction et l'incidence apparaissent également comme deux paramètres importants pour la conception du détecteur 10. :
Il est à noter qu'un mode plasmon existe en polarisation TM .à une longueur d'onde plasmonique λδρρ telle que λδρΡ = P*NSpp, NSpp étant l'indice effectif du mode plasmon donné par la formule suivante :
Figure imgf000020_0001
ou:
• ed est approximativement égal à la constante diélectrique de la deuxième couche C2, et
• sm est la constante diélectrique du métal.
Dans le cas présent, étant données les valeurs de ed et de em, NSpp est à peu près égal à la racine de ed.
Le mode guidé photonique, quant à lui, est excité à une première longueur d'onde λι = P*Neff , plus grande que la longueur d'onde plasmonique λ5ρρ. En effet, l'indice effectif Neff du mode guidé dans la première couche C1 est strictement supérieur à l'indice effectif du mode plasmon Nspp puisqu'il est proche des indices des quatrième, cinquième et première couches C4, C5 et C1 , qui sont plus élevés que celui de la deuxième couche C2, qui est lui-même proche de l'indice effectif du plasmon. Par conséquent, même dans le cas où l'onde incidente est polarisée TM, le plasmon n'est pas excité à la première longueur d'onde pour laquelle le réseau R est dimensionné afin de diffracter la lumière dans un mode guidé dans la première couche C1. De plus, l'amplitude du mode plasmon décroît exponentiellement depuis le réseau R et le long de l'axe Z selon une allure du type exp (- ^j) où :
• z est la coordonnée le long de la direction d'empilement Z depuis le point le plus haut du réseau R,
· Im désigne la partie imaginaire, et
• d est l'extension spatiale du plasmon donnée par d - ^"'^"^^
A partir de cette formule, il est possible de calculer la valeur de l'extension spatiale du plasmon. Pour cela, il faut noter que l'indice de réfraction diélectrique nd servant au calcul de ed est égal à la moyenne de l'indice de la deuxième couche C2 et de l'indice de la quatrième couche C4, soit à 2,7). Pour em, on se place dans le cas où le réseau R est en or (indice nor = 0,45 + 8,8*i d'après « Optical constants of solids », Palik, Volume I, pages 293-294 - i désigne le nombre complexe /-Ϊ) et la première longueur d'onde λ1 est égale à 1400 nm. L'extension spatiale du plasmon qui en résulte est de l'ordre de d = 300 nm.
En comparant l'extension spatiale du plasmon à la somme des deuxième et quatrième épaisseurs e2 et e4 des exemples adaptés à fonctionner en mode TM donnés dans le tableau 2, il est constaté que l'intensité du champ plasmonique, s'il est excité, est faible dans la couche absorbante C1 puisque la somme des deuxième et quatrième épaisseurs e2 et e4 est toujours au moins supérieure à l'extension spatiale du plasmon divisée par 2. En ce sens, il est avantageux de choisir parmi les exemples donnés dans le tableau 2, ceux pour lesquels la somme des deuxième et quatrième épaisseurs e2 et e4 est maximale, afin de minimiser l'absorption à la longueur d'onde plasmonique Spp.
En conséquence, dans tous les cas, et même lorsque le rayonnement électromagnétique incident est polarisé TM, le champ de mode guidé est prépondérant à l'intérieur de la couche absorbante C1. Le champ de mode guidé est de plus fortement localisé dans la couche absorbante C1.
Plus généralement, il est proposé un empilement permettant de diminuer le background. La conception de cet empilement permet de choisir des modes guidés pour bénéficier d'une absorption améliorée à une première longueur d'onde Λ1 , sans pics parasites ailleurs. Optionnéllement, l'empilement permet de coupler des modes guidés à des modes plasmon-polariton pour bénéficier d'une meilleure acceptance angulaire.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Détecteur (10) propre à détecter une première longueur d'onde (A1 ) et à filtrer une deuxième longueur d'onde (λ2) comprenant :
- un réseau (R) s'étendant le long d'une direction longitudinale (X) et présentant une structuration se répétant avec un pas (P) le long de la direction longitudinale (X), le réseau (R) étant propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente et le pas (P) étant inférieur ou égal à la première longueur d'onde (A1 ),
- une première couche (C1 ) réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche (C1 ) présentant une première épaisseur (e1 ) le long d'une direction d'empilement (Z) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), la première épaisseur (e1 ) étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde (A1 ), et
- une deuxième couche (C2) superposée avec la première couche (C1 ) le long de la direction d'empilement (Z), la deuxième couche (C2) présentant des deuxièmes paramètres (P2) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2), les deuxièmes paramètres (P2) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud dans la première couche (C1 ).
2. - Détecteur selon la revendication 1 , dans lequel la première couche (C1 ) présente un premier indice effectif (neffi) et le réseau (R) présente un pas (P), le pas (P) étant égal au rapport entre la première longueur d'onde (λ1 ) et le premier indice optique effectif (neffi).
3. - Détecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première épaisseur (e1 ) est inférieure ou égale à 2/10 de la première longueur d'onde (A1 ), de préférence inférieure ou égale à 2/100 de la première longueur d'onde (A1 ).
4.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première couche (C1 ) présente un plan central (Pcentral) perpendiculaire à la direction d'empilement (Z), les deuxièmes paramètres (P2) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud contenu dans le plan central (Pcentral) de la première couche (C1 ).
5. - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième couche (C2) est disposée entre le réseau (R) et la première couche (C1 ), le détecteur (10) comprenant en outre :
- une troisième couche (C3) disposée de sorte que la première couche (C1 ) soit disposée entre la deuxième couche (C2) et la troisième couche (C3), la troisième couche (C3) présentant des troisièmes paramètres (P3) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2), les troisièmes paramètres (P3) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud dans la première couche (C1 ).
6. - Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième couche (C2) est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique (n2) et présente une deuxième épaisseur (e2) le long de la direction d'empilement (Z), les deuxièmes paramètres (P2) étant le deuxième indice optique (n2) et la deuxième épaisseur (e2).
7.- Détecteur selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la troisième couche (C3) est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique (n3) et présente une troisième épaisseur (e3) le long de la direction d'empilement (Z), les troisièmes paramètres (P3) étant le troisième indice optique (n3) et la troisième épaisseur (e3).
8. - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la première couche (C1 ) présente un plan central (Pcentral), les troisièmes paramètres (P3) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud contenu dans le plan central (Pcentral) de la première couche (C1 ).
9. - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, comprenant, en outre :
- une quatrième couche (C4) disposée entre la deuxième couche (C2) et la première couche (C1 ), la quatrième couche (C4) présentant des quatrièmes paramètres (P4) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2), et
- une cinquième couche (C5) disposée entre la troisième couche (C3) et la première couche (C1 ), la cinquième couche (C5) présentant des cinquièmes paramètres (P5) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2),
les quatrièmes paramètres (P4) et cinquièmes paramètres (P5) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud dans la première couche (C1 ).
10. - Détecteur selon la revendication 9, dans lequel :
- la quatrième couche (C4) est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique (n4) et présente une quatrième épaisseur (e4) le long de la direction d'empilement (Z), les quatrièmes paramètres (P4) étant le quatrième indice optique (n4) et la quatrième épaisseur (e4) et
- la cinquième couche (C5) est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique (n5) et présente une cinquième épaisseur (e5) le long de la direction d'empilement, les cinquièmes paramètres étant le cinquième indice optique (n5) et la cinquième épaisseur (e5).
1 1 . - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les matériaux diélectriques des différentes couches (C1 , C2, C3, C4, C5) sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes NIA et VA de la classification périodique.
12. - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les matériaux diélectriques des différentes couches (C1 , C2, C3, C4, C5) sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes I I et VI de la classification périodique.
13. - Procédé de détermination des paramètres (P1 , P2, P3, P4, P5) d'un détecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, les paramètres incluant au moins les deuxièmes paramètres (P2),
le procédé de détermination comportant une étape de détermination des paramètres (P1 , P2, P3, P4, P5) pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (λ2) présente un nœud dans la première couche (C1 ).
14. - Procédé de détermination selon la revendication 13 dans sa dépendance avec la revendication 6, comprenant une étape de fixation de la deuxième épaisseur (e2) initiale à une valeur égale à k*A2/(4*n2)
Où
• n2 est le deuxième indice (n2),
• λ2 est la deuxième longueur d'onde, et
• k est un entier.
15. - Procédé de détermination selon la revendication 13 ou 14, dans lequel à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur (10) est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon un mode transverse magnétique.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108227054A (zh) * 2018-02-09 2018-06-29 南京邮电大学 一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130264543A1 (en) * 2010-12-17 2013-10-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodetection device
CN103811580A (zh) * 2014-03-05 2014-05-21 中国科学院半导体研究所 InGaAs红外光探测器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130264543A1 (en) * 2010-12-17 2013-10-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodetection device
CN103811580A (zh) * 2014-03-05 2014-05-21 中国科学院半导体研究所 InGaAs红外光探测器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAN I-H ET AL: "MODELING AND PERFORMANCE OF WAFER-FUSED RESONANT-CAVITY ENHANCED PHOTODETECTORS", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 31, no. 10, October 1995 (1995-10-01), pages 1863 - 1875, XP000536242, ISSN: 0018-9197, DOI: 10.1109/3.466063 *
YUAN JINRONG ET AL: "Improved quantum efficiency of InGaAs/InP photodetectors using Ti/Au-SiO2phase-matched-layer reflector", ELECTRONICS LETTERS, IEE STEVENAGE, GB, vol. 48, no. 19, 13 September 2012 (2012-09-13), pages 1230 - 1232, XP006040113, ISSN: 0013-5194, DOI: 10.1049/EL.2012.0806 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108227054A (zh) * 2018-02-09 2018-06-29 南京邮电大学 一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件
CN108227054B (zh) * 2018-02-09 2024-02-02 南京邮电大学 一种表面构建环形凹槽的场局域增强器件

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