Cours composants optoélectroniques

Cours composants optoélectroniques
Elec 4 Philippe Lorenzini Polytech Nice Sophia Références: H.Mathieu Physique des SC et Composants électroniques, Dunod, 2002 F. Schubert, Light emitting diodes, « J. Singh, optoelectronics devices, McGrawHill, 1996 D.A. Neamen, « semiconductors physics and devices », McGrawHill, 3° Ed, 2003 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Composants optoélectroniques
Interaction Rayonnement – SC Photons, électrons Interaction électron – Photons Absorption Émission Photo-détecteurs LEDs Lasers Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rayonnement électromagnétique
Equations de Maxwell: pulsation k vecteur d’onde Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rayonnement électromagnétique
Aspect ondulatoire: Onde Vitesse de l’onde Vitesse de groupe Aspect corpusculaire: « grains » de lumière photon Énergie Qté de mouvement Relation de dispersion n : indice (vide n =1) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Électrons : dualité onde - corpuscule
Aspect corpusculaire: Dans le vide Dans un cristal Aspect ondulatoire: Relation de de Broglie Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

composants optoélectroniques
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Interaction électrons - photons
3 processus: Absorption Émission spontanée Émission stimulée (dans les lasers) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Règles de sélection Ee- Conservation de l’énergie et de la qté de mouvement: Absorption Émission kélectron Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Règles de sélection Eph Ee- Conservation de l’énergie et de la qté de mouvement: kphoton Conservation de l’énergie: Si absorption, Eph > Eg Conservation de p: Ordre de grandeur de k kélectron Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Intérêt à adapter Eg à l’énergie du photon à détecter
Compte tenu du faible kphoton les transitions optiques ne peuvent se faire que verticalement en k Intérêt à adapter Eg à l’énergie du photon à détecter Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Différents processus de transition inter-bandes

Recombinaison radiatives et non radiatives

Absorption, émission spontanée et stimulée
Pseudo niveau de Fermi Taux net d’émission de photon Recombinaison: durées de vie Vitesse de recombinaison en surface Génération de porteurs en excès Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

« envoi » des électrons et des trous dans les bandes « n’importe comment »! ---- -- ---- -- Recomb e - h EF + + ++++ + Hors équilibre retour équilibre équilibre Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

2 grandeurs régissent les états:
Temps entre 2 chocs: temps de relaxation : lors d’un choc l’électron perd de l’énergie (10-13 à s) Durée de vie des électrons dans une bande (10-9 à10-3 s) Si les porteurs « ont le temps » de se thermaliser en bas de bande puis se recombiner. Du fait de la différence entre ces deux temps il existe un état de pseudo-équilibre pour les e- et les h+ Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Retour à l’équilibre EFn ---- -- ---- -- EF + +++ +++++ + ++++ EFp On coupe l’excitation Hors équilibre équilibre Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Taux net d’émission de photon -1
C’est le nombre de photon d’énergie E émis par unité de temps et de volume nb ph émis de manière spontanée par s et cm3 nb photon dans le matériau rspont est indépendant de la présence de photon dans le matériau Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

rst: taux d’émission stimulée (Bilan énergétique de ce qui est stimulé de haut en bas et de bas en haut) rst(E)>0  émission de photon (ampli de lum) rst(E)<0  absorbe un rayonnement de photon Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Soit un système à 2 niveaux Ei et Ej Ei , gi Ej , gj E = Ei - Ej Proba. pour que cette recombinaison soit radiative nb d’e- ds l’état i Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

E=E’-E’’ Dans le cas d’un SC, il y a un pseudo continuum d’états Émission d’un photon d’énergie E : proba pour la transition de E’ à E’’ soit radiative Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rq: on peut montrer que dans les matériaux dopés, B est constant au voisinage des extrema de bandes Semi-conducteur Nature du Gap B (cm-3s-1) Si indirect Ge GaP GaAs direct GaSb InP InAs InSb B (SC gap direct) >> B (SC gap indirect) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Émission spontanée: Émission stimulée: L’émission stimulée existe si rst(E) > 0 ---- Efc Efv Eg La condition d’amplification implique : hn  SC dégénéré n et p ou plutôt Inversion de population Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Si on écrit le nb de photons dans le matériau: Alors Taux net d’émission Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

À l’équilibre thermodynamique : Sous faible excitation d’un rayonnement(E>Eg): Forte excitation (E>Eg et Eg>>kT/e):   Le semi-conducteur absorbe le rayonnement  Le semi-conducteur émet un rayonnement d’énergie E Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie
Comment se recombinent les porteurs et à quelle « vitesse » ? Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

En d’autres termes, 2 « chemins » possibles pour la recombinaison: - radiatif - non radiatif Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Taux global d’émission de photon R  taux de recombinaisons radiatives et n concentration en électrons libres n0 concentration d’équilibre en électrons libres n, p concentration en excès d’e- et h+ R taux de recombinaisons par cm3 par s B coefficient ambipolaire de recombinaison Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

En régime de faible injection (Dn et Dp petit / régime d’inversion, Rst est négligeable et DR s’écrit en négligeant le terme du 2° ordre: Taux de recombinaisons radiatives des porteurs avec Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Dans la mesure ou Dn = Dp (création de paires électron – trou): Dans un semi-conducteur dopé, la durée de vie radiative est celle des porteurs minoritaires (SC n: ) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie non radiative
« chemin non radiatif »: Centres de recombinaison Émission phonon ou effet Auger On attribue à ce type de recombinaisons, une durée de vie non radiative: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Recombinaison des porteurs en excès
Les processus sont additifs. La durée de vie globale est donnée par: On définit le rendement radiatif par: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Évolution temporelle de la densité de porteurs
Faible injection !! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Vitesse de recombinaison en surface
À la surface, états énergétiques spécifiques: Rupture de la périodicité du cristal Adsorption d’atomes étrangers Présences d’états de surfaces centres de recombinaisons supplémentaires À la surface, la densité de porteurs est plus faible que dans le volume. Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Recombinaisons non radiatives !! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

GaAs S = 106 cm/s InP S = 103 cm/s Si S = 101 cm/s Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Création de photo-porteurs en excès
Plusieurs moyens pour la création: Photo - excitation avec E>Eg Injection électrique Effet avalanche ou tunnel Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo - excitation Les caractéristiques du rayonnement sont: Longueur d’onde l ou son énergie E=hn L’intensité I La puissance P en watts P(W)=f0(E). hn Puissance nb de photons qui arrive /s et/cm3 Énergie des photons f0(E) fT(E) fr(E) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo - excitation Soit R(E) le coefficient de réflexion ou pouvoir réflecteur: Si E=hn >Eg, il y a absorption  on définit le coefficient d’absorption a Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo - excitation Taux de génération d’électrons g(E,x): Si on « perd » df photons, on « gagne » df électrons (rendement quantique =1)  la variation du nombre de photons par unité de volume est : On écrit alors: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo - excitation Le taux de génération global g(x) (si pas monochromatique) est alors donné par: Pour le calculer: R(E) ? Au voisinage du gap f0(E) ? a(E) ? On peut l’approximer par 1 échelon a = 0 si E < Eg a ~104 cm-1 si E > Eg Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Coefficient d’absorption
Dans le cas de transitions verticales, la relation liant l’énergie du photon (>Eg) et le vecteur d’onde est: Ev Ec EFn EFp Eg Eh Ee k=0 k Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Pour une lumière non polarisée dans un SC, le coefficient s’écrit: La densité d’états jointes: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Taux d’émission (expressions)
Lorsque un électron et un trou se trouvent «vertical en k », il peuvent se recombiner : Spontanément: De façon stimulée: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Gain du matériau C’est la différence entre le coefficient d’émission et le coefficient d’absorption: Ev Ec EFn EFp Eg Eh Ee k=0 k Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Gain du matériau Si fe(Ee) = 0 et fh(Eh) =0 Pour que le gain soit >0 (inversion de population) Et alors Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

recombinaisons On a défini précédemment Rspon ( coef de recombinaisons) : regardons plus en détails en fonction de la population électronique Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: Injection de porteurs minoritaires (n>>p et fortement dopé n) ~1 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: Forte injection (important dans le cas d’1 densité d’elec. et de trous injectée élevée) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: faible injection (on utilise Boltzmann) Si Dn=Dp alors on peut définir un taux de recombinaison de porteurs en excès unique Dn/tr: Ev Ec EFn EFp Eg Eh Ee k=0 k Pourquoi ? Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: Inversion (transparence) (important dans le cas des lasers) Supposons Utile pour estimer le courant de seuil d’un laser Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Densité usuelles pour le fonctionnement du laser
fe=fh=1 Densité usuelles pour le fonctionnement du laser Régime de Faible injection Durée de vie radiative tr (s) cm-3 Nd ( pour les trous injectés dans un SC n) n=p (pour paires e-h injectées dans une région) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo - excitation a ~104 cm-1 g(x) x Importance de la vitesse
de recombinaison en surface Ex: 10W/cm2, l=0.75 µm, a=7 103 cm-1 pour GaAs. G? Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Injection électrique Polarisation d’une jonction pn en direct. Le système est hors équilibre. Le retour à l’équilibre s’accompagne de recombinaisons, qui si elles sont radiatives, émission de photons. Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Homo-jonction à semi-conducteur

Courant dans une Jonction pn

I(V) fonction du matériau

Tension pour I=20 mA (figure de mérite)

Les photo-détecteurs Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Les photo-détecteurs Rôle : convertir un signal lumineux en signal électrique Propriétés attendues: Grande sensibilité Linéarité (surtout si signal analogique) Large bande passante électrique Fiabilité Faible coût Facilité de mise en œuvre Encombrement Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Les photo-détecteurs Solution dans le visible et proche IR: Jonction pn montée dans un boîtier comportant une fenêtre transparente au rayonnement. Deux montages possibles: Jonction non polarisée  montage photovoltaïque. Il est utilisé pour la conversion de l’énergie solaire en électricité. Jonction polarisée en inverse  montage photoconducteur. Il est utilisé pour la détection de la lumière : photodiode PIN, ADP, phototransistors Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Les photo-détecteurs mode photocourant mode photovoltage Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Les photo-détecteurs Matériaux pour les détecteurs optiques Disponibilité du substrat Si, GaAs, Ge et InP SC avec maille « adaptée » à ces substrats Application communications longues distances Adaptés aux fibres optiques (1.55µm et 1.3 µm) GaAs interdit (0.8 µm) InGaAs, InGaAsP, GaAlSb, HgCdTe, GaInNAs … In 0.53Ga 0.47As le plus utilisé Ge comme photo-détecteur à avalanche Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Les photo-détecteurs LANs (qq kilomètres) GaAs émetteurs (0.8µm) mais pas chers ! Si comme photo-détecteurs (photodiodes à avalanche) Détection « infrarouge » >20 µm HgCdTe, PbTe, PbSe, InSb Détecteurs inter sous-bandes GaAs/AlGaAs Détecteurs rapides GaAs « low temperature »  1 ps Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Distribution des photo-porteurs
Dans le cas des électrons: flux qui pénètre le matériau Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

2 composantes pour le champ électrique Champ interne Ei Champ externe appliqué Ea L hn V Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

À cause des mobilité différentes, champ interne Ei Dn(x,t)  Dp(x,t) . En fait en s, la neutralité est rétablie,  Dn(x,t)  Dp(x,t) . Les électrons et les trous diffusent ensemble Ei C’est la diffusion ambipolaire Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

épais mince quelconque Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule photoconductrice
Z Vs d L Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Conductance à l’obscurité: Conductance sous éclairement: Soit une variation de la conductance: avec Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Si on applique une tension courant: Le photo-courant: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

En se rappelant que est la vitesse des porteurs, on peut définir un temps de transit: Le photo-courant s’écrit alors: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Le photo-courant « primaire » généré par l’éclairement est: Le gain de la cellule est donné par: nb photons/s/cm3 surface C’est la rapport entre le taux de collecte des charges par les contacts au taux de génération de ces charges Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

C’est quoi le gain ? Si >1, les électrons peuvent parcourir plusieurs fois le circuit avant de se recombiner avec un trou. Ex: L=100µm, V=10V, tp=1µs Comment améliorer le gain de la cellule? Durée de vie élevée Temps de transit faible (petit L et/ou fort champ E) Inconvénient: Fort courant d’obscurité bruit Utilisation de diode en inverse Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Principe de la photodiode p-n

Principe de la photodiode p-n
Seuil de détection: E=hn>Eg 1 et 3 : photo-courant de diffusion 2 : photo-courant de génération Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode sous éclairement

Calcul du courant Courant de saturation, existe même à l’obscurité! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques Photocourant dans les régions de diffusion

Calcul du photo-courant
Région p : Région n : Hyp: GL = cte Et la ZCE ? Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode p-n Le photo-courant est donc généré dans la ZCE et dans les régions neutres sur la longueur de diffusion Ln et Lp, soit finalement sur W+Ln+Lp. Rem: GL n’et pas constant ! On doit prendre une valeur moyenne en toute rigueur Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode p-n en inverse Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode p-n Constante de temps: Courant de diffusion : lent à 10-9 s Courant de génération : rapide ttr =W/vs (10-10 à s) Donc il « faut »: Absorption uniquement dans la ZCE Zone frontale très mince W large mais pas trop sinon ttr trop grand (W=1/a) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode p-n Rendement quantique (quantum efficiency): Fonction du coefficient d’absorption Fonction de la longueur d’onde ( h=f(hn) ) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode p-n Sensibilité (responsivity): sensibilité longueur d’onde (µm) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode PIN But : améliorer la sensibilité pour les grandes lg et la vitesse . Comment ? Augmenter la zone de collecte des photons (lg grand ray. pénétrant) On intercale une région intrinsèque entre p et n+. Si polarisation suffisante, ZCE envahit la région intrinsèque  vitesse augmente Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode PIN Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode PIN Choix du matériau dépend de l’application: Communication (émetteur GaAs/AlGaAs) Détecteur Si (vitesse non critique) Détecteur Ge (lg > 10µm) 1.55µm + vitesse  détecteurs InGaAs Vision nocturne: HgCdTe InAs, InSb « solar blind » + UV: GaN, AlGaN Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode PIN « design » de la structure: Réflexion sur surface (perte :2 – 3%) Maximiser l’absorption dans ZCE (*) Attention à la vitesse Miroir métallique Minimiser les recombinaisons Matériau de haute pureté Minimiser le temps de transit ZCE la plus petite possible (voir *) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendement d’une photodiode PIN
Taux de génération dans le SC: Jph(0)=F(0): Flux de photons (nombre par cm2 et par seconde) Photocourant rendement Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodiode pin Linéarité de la réponse : meilleure que 1% sur 7 ordres de grandeur Capacité de la jonction: limite la vitesse C diminue si tension inverse augmente C augmente si surface sensible augmente Courant d’obscurité:limite la détection Élevé pour détection IR Fonction de la température (*2 si DT=10°C pour Si) Tension de claquage Tension max supportable par le composant Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodétecteur à avalanche (APD)
Dans une p-i-n , le gain est au plus unitaire Dans APD, on peut aller à quelques centaines Comment? Utilisation du phénomène d’avalanche dans les jonctions pn Condition: avoir des électrons « chauds » Très utilisés dans les applications télécoms Inconvénients: « bruiteux » (processus aléatoires), sensible à la température Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photodétecteur à avalanche (APD)
(Ge, Si) « design » ZCE qui permette d’absorber la lumière qq µm (gap direct) à qq 100 µm pour SC à gap indirect La zone d’absorption et la zone d’avalanche distincte APD « reach through » Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Photo-détecteur à avalanche (APD)
Substrat n+ InP Contact arrière Contact avant InP n- InGaAs n+ InGaAs p- photons APD à hétéro-jonction Meilleures performances Gap direct  région d’absorption et d’avalanche fines Facteur de multiplication: R: résistance équivalente (série + effet Thermique + …) n : paramètre d’ajustement (dépend du design) V: tension appliquée VB: tension de claquage Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Application importante des pn : convertir l’énergie solaire en énergie électrique 2 modes: Mode photoconductif Mode photovoltaïque Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Courant débitée par la diode (courant inverse compté positif) Deux paramètres : la tension de circuit ouvert Le courant de court circuit Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Puissance débitée: Droite de charge 1/Rc Puissance maximum permet de déterminer la résistance de charge Rc Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Influence de la résistance série Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Rendement de conversion 6.2 eV 0.5 eV Fill factor: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire à base de silicium amorphe et polycristallin
Le plus courant Rendement de l’ordre de 13% Rendement faible sous faible éclairement Amorphe (a-Si) CVD Technique (600°C) Surface importante, enroulable Règles de sélection verticales en k disparaissent Meilleur coefficient d’absorption Pas cher ! Rendement faible (6%) vieillissement Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Cellule solaire Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

+50% Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Diodes électroluminescente
LED ou DEL Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Choix du matériau : dépend de l’application

LED Rapport taux d’injection: Région la plus radiative: type p Région p : 2 à 3 Ln (hn sort !) Modification du gap (fort dopage) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Recombinaisons dans la région p

Utilisation d’hétéro-jonction

Améliore le confinement dans la région active Inconvénient: résistance plus grande On fait des hétéro-structures graduelles Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Carrier loss in double heterostructures

Carrier overflow in double heterostructures

Couches de confinement (« blocking layers ») Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Conversion tension - lumière

L’énergie d’un électron injecté est convertie en énergie optique: Existence d’une résistance série Perte d’énergie par émission d’un phonon V = h  / e ≈ Eg / e Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

I Rs resistive loss EC – E0 electron energy loss upon injection into quantum well EV – E0 hole energy loss upon injection into quantum well Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Leds et rendements rendement optique « rendement à la prise » « wallplug efficiency » Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Spectre d’émission (1) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Spectre d’émission (2) Maximum de l’intensité d’émission Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Spectre d’émission (3) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Spectre d’émission (4) Largeur de spectre relativement étroit comparé au spectre visible Pour l’œil humain led  monochromatique Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Leds : extraction de la lumière

Cône de sortie de la lumière
Une fraction des photons réfléchie à l’interface semi-conducteur – air . Si l’angle d’incidence proche de la normale, extraction possible. Loi de Descartes: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

D’après la relation précédente Entre 0 et 16°, la transmission T varie de 70% à 0 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

c critical angle of total internal reflection Problem: Only small fraction of light can escape from semiconductor Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Distribution spatiale du rayonnement
Iair emission intensity in air  angle with respect to surface normal Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendement quantique externe
Couplage avec fibre optique: F1 Q2>qA n2 n1 q1<qA n2 n0 pertes qA : angle maximum Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendement quantique externe
Si la source a une distribution en « cosinus » (Lambertian), la fraction de lumière couplée dans la fibre est donnée par: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

LED à émission horizontale

LED à émission par la surface

Utilisation de substrat transparent

Utilisation de miroirs de Bragg (DBR) (cas de substrat absorbant = 50% perte) DBR accordé en maille avec la DH DBR doit être conducteur (suivant géométrie de la diode) DBR doit être centré sur la longueur d’onde de fctment. Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Utilisation de miroirs de Bragg (DBR) (cas de substrat absorbant = 50% perte) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Le LASER à semi-conducteur

Laser à SC 1° MASER en 1954 1° LASER en 1962 MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser à SC : Aigrain en 1958 Le premier à SC en 1962 avec du GaAs Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC Fonctionnement: Inversion de population Laser à 4 niveaux Pompage N1 augmente et N2 diminue Tant que N2>N1 le photon incident induit des transitions de N2 vers N1 Si N1>N2, le photon incident induit des transitions de N1 vers N2 par émission stimulée N1>N2  inversion de population ( Temp<0) ie l’état d’énergie supérieur plus peuplé N1 N2 hn 3 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC + +++ +++++ ---- -- EFn EFp N1 N2 hn hn États discrets États continus Ici DEF > Eg DEF = EFC -EFV Effet Laser : N1>N2 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC : pertes par effet Auger
+ +++ +++++ ---- -- EFn EFp 2 Dans le SC, le photon incident peut être absorbé par un électron (ou trous) de la bande de conduction qui « saute » sur un niveau énergétique plus haut: c’est l’effet Auger hn 1 Donc Effet LASER : DEF > Eg et effet Auger (2) < Absorption normale (1) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC Jonction PN doublement dégénérée ! La zone active plus côté p que côté n (voir LED) Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC Différences entre laser conventionnel et SC La taille : du mètre au µm La Puissance : kW au W Cohérence spatiale et temporelle plus petites pour SC Rendement : meilleur pour le laser à SC (pas de pompage) Possibilité de modulation : il suffit de moduler le courant dans la pn ! Tout le spectre de l’UV à l’IR accessible Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC : gain du Laser
Gain (ou coeff d’amplification) du Laser: même définition que le coefficient d’absorption Soit rst(E) le nb de photons émis par émission stimulée par unité de temps et de volume rst(E)*S*dx = rst(E) dx = df => Avec F(E) le flux de photons Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Amplification:  g(E) >0  rst(E) >0  EFC-EFV >E g(E) >0 condition nécessaire et pas suffisante car il y a absorption par les porteurs libres (Auger) Soit A(E) le gain net : Si A(E) >0, condition nécessaire et suffisante Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

si A(E) < 0  LED ( uniquement émission spontanée si A(E) > 0 l’amplification commence dans le matériau. Or l’émission n’est pas isotrope! p Le photon 1 sera bcp plus amplifié que le photon 2 car son chemin est plus long  émission sera directive Zone active 2 1 n Ce n’est pas encore un LASER Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC : diode superradiante
1 2 Led superradiante Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC Le SC a un indice n important (3.5). Il existe une réflexion (R=30%)  des photons vont « rebrousser » chemin et être encore amplifiés : on a une cavité résonnante on va donc encore augmenter la densité de photons, mais attention, pas « n’importe » lesquels !!! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à SC: cavité de Fabry - Pérot
Cavité de Fabry – Pérot : sélection de modes d’oscillations : kl = 2 n L n : indice du milieu (SC) L : longueur de la cavité Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser : condition d’oscillation
en 1: en 2: en 3: en 4: en 5: n 1 2 4 3 5 p Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser : conditions d’oscillation
En 5 et en 1, on est au même « endroit ». 2 cas : soit Dans le cas où , le système peut diverger en théorie. Si R1=R2 n 1 2 4 3 5 p Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser Condition d’amplification : A(E) > 0 Condition d’oscillation : Dans ce cas, le gain est supérieur aux pertes de la cavité Résumé: g(E) > cond. nécessaire => LED g(E) >ap(E) cond. suffisante (ampli) => LED superradiante cond. d’oscillation : Laser Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser Pour E>E0 : émission spontanée : c’est une LED Si E<E1 et E>E’1 émission spontanée car émission stimulée « mangée » par aP(E) E1<E<E2 et E’2<E<E’1 amplification mais pas oscillation : superradiante E2<E<E’2 : laser Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: émission multimode

Laser: émission multimode
La cavité sélectionne un certain nombre de modes définis par: n: indice, L: longueur de la cavité, k: ordre d’interférence Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: distribution spectrale
Le spectre du rayonnement LASER est donné par le spectre du rayonnement stimulé rst(E): Position de la raie du spectre stimulé: on dérive l’éq ci-dessus. Le max est obtenu drst(E)/dE= 0 En inversion, DF>E  pente >0 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: distribution spectrale
Le max de la raie de l’émission stimulée se trouve sur le flanc « basse énergie » de la raie d’émission spontanée Si DF>>E (on augmente l’excitation) exp ( ) tend vers l’infini  drsp(E)/dE tend vers 0, ie sommet de la raie E.spontanée Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: distribution spatiale
L=100µm 0.2 à 1 µm l=10µm p n L’indice est plus fort dans la région stimulée: Amélioration du gain et du confinement optique Émission du photon à l’extérieur : sortent du coté L Longueur d’onde du rayonnement et largeur de la fente similaires (µm)  réfraction Ouverture du faisceau horizontal vertical Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: courant de seuil
Début l’amplification de oscillations F Si pas inversion LED, le flux est proportionnel au courant Quand Ef atteint la bande (BC et BV) et que g(E) > ap(E)  surlinéarité du flux 1000 100 10 I0 I E. spontanée Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Équation régissant le problème: La recombinaison des e- est provoquée par les photons population d’e- et de photons interdépendantes. On pose n: l’excédent d’électrons (du à l’injection) N: l’excédent de photons Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Durée de vie des photons dans la cavité: Absorption Émission hors de la cavité Coefficient effectif d’absorption En moyenne le photon est absorbé sur 1/a Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques Perte globale de la cavité

Gain au seuil de la cavité b:Facteur de gain, constante propre au composant Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Au-delà du seuil: Oscillation sur le mode sélectionné par la cavité Durée de vie des électrons excédentaires diminue (proba émission stimulée augmente) Densité n=n0 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Courant de seuil est proportionnel à l’épaisseur de la cavité si la couche active est suffisamment large ! Si d plus petite que la longueur d’onde d’émission, le confinement optique commence à décroître et le courant de seuil augmente Si d de l’ordre de qq 100 Angstrom, effets quantiques Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: Confinement optique:
Distance perpendiculaire à la cavité (z) Constante diélectrique région p Zone active région n Onde optique confinée => Condition d’oscillation: Gain modal: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser: Confinement optique:
G=0,4 G=0,04 d=250 ang Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Diode laser à hétérojonction enterrée

Diode laser monomode But: obtenir un rayonnement monofréquence Idée de base: réduire la longueur L de la cavité jusqu’à ce que l’espacement entre 2 modes longitudinaux (c/2nL) soit supérieur à la courbe de gain. Difficultés: Cavité très courte (environ 5µm pour les laser à cavité verticale = VCSELs) Contrôle strict de L pour stabiliser la raie Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Diode laser monomode Ec Ec Un seul mode sera amplifié d’énergie EC
 émission monomode Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Laser à émission verticale : VCSELs
Jusqu’à présent, on a étudié les lasers à émission par la tranche (« edge emitting ») La condition d’oscillations laser s’écrit: Comme R=0.3, on doit avoir L de l’ordre de 100 µm pour avoir Jth raisonnable. Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Dans le cas de VCSELs, les miroirs sont placés au dessus et au dessous de la couche active on peut réduire L d’un facteur 10, ie L = 10 µm. Pour maintenir un courant de seuil correct, réalisation de miroirs avec des R=99% voir plus ! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

On adapte le « pic » de réflexion des DBR en fonction de la courbe de gain de la couche active. Avec: nr1<nr2 d1=d2 L de l’ordre de 10 l Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Avantages: Taille réduite du composant Lumière sort perpendiculairement (télécom) L petite, donc courant de seuil faible (< 100µA) Difficultés: Injection du courant (DBR dopés) Faible puissance de sortie (volume actif petit)!) Échauffement du dispositif (résistance importante Dégradation de performances Courant de seuil Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Modification de la condition d’amplification: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Influence de la température
Température et courant de seuil: Courant de seuil augmente « aplatissement » des fonctions de Fermi  augmentation de l’injection pour atteindre les conditions d’inversion Augmentation du courant de fuite Les porteurs peuvent franchir les couches de confinement (« cladding layers ») et une part du courant ne sert pas à l’effet Laser Augmentation de l’effet Auger Processus non radiatif ! On essaye d’avoir T0 le plus grand possible. Pour GaAs , 120 K Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Influence de la température
Température et spectre d’émission Modification du gap: Déplacement du spectre vers les basses énergies 3 à 4 Angstrom / K Modification du la cavité et des indices: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendements de la diode Laser
Rendement quantique interne: c’est pareil que pour la LED Puissance optique interne: c’est la puissance créée par émission stimulée. On néglige la puissance émise par émission spontanée Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Pertes sur Pint: deux contributions Contribution proportionnelle aux pertes de propagation : terme en aPint Contribution due à l’émission de lumière vers l’extérieur: terme en arad Pint Puissance optique émise par les 2 faces du Laser: Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendement différentiel : deux définitions Sans dimension Attention : ici Popt est la puissance émise par les 2 faces!! Dans les docs, c’est par une face!! Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

Rendement global C’est celui qui intéresse l’utilisateur. Il détermine les mesures à prendre pour évacuer la chaleur. Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques

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