Composants optoélectroniques

Name: Composants optoélectroniques
Uploaded: 2017-10-31T21:44:25+00:00
Duration: PTM41S4
Channel: Norbert Pons
Description: Composants optoélectroniques

Composants optoélectroniques
P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg

Plan du cours 1 Introduction Interaction rayonnement-semiconducteur
Photodétecteurs Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Laser à semiconducteur
Emetteurs à SC et télecommunications

Photoémetteurs Diode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct p n VF W EC diffusion EFn EFp eVF EV diffusion Jonction p-n polarisée en direct

Principe : jonction p-n polarisée en direct Ln EC p hn EFn EFp eVF EV n W Lp Jonction p-n polarisée en direct

Rappel : jonction p-n polarisée en direct Ln Lp p n VF W x dp dn xp xn x’c xc Ln(p) << dn(p)

Rappel : jonction p-n polarisée en direct Ln Lp p n VF W x dp dn xp xn x’c xc

Principe : jonction p-n polarisée en direct Si VF est suffisante W étroite rôle mineur dans émission Injection de trous dans zone de type n Injection d’électrons dans zone de type p

Principe : jonction p-n polarisée en direct Courant total J conservatif (indépendant de x) JS

Principe : jonction p-n polarisée en direct Taux d’injection des porteurs minoritaires (mn >> mp) Recombinaisons essentiellement dans zone p

Structure LED Al SiO2 n p substrat Au

Spectre d’émission Lié à Eg de SC de type p et au dopant utilisé III-V miscibles : GaAsxP1-x ; GaxIn1-xP Eg = Eg (x) Emission dans le bleu difficile GaN

Spectre d’émission

Spectre d’émission Matériau Pic (nm) Couleur Rendement (%) GaAs (Si) 1000 IR 10 GaAs (Zn) 900 0.1 GaP (Zn, O) 699 Rouge 4 GaAs0.6P0.4 (Te) 644 0.2 GaAs0.35P0.35 (S, N) 632 Orange GaP (N) 690 Jaune GaAs0.15P0.85 (S, N) 589 0.05 570 Vert Gap indirect

Rendement Rendement quantique interne hi Taux de recombinaison radiatif or (tnr >> tr SC à gap direct) Rendement radiatif

Rendement Rendement optique ho Photons réabsorbés avant sortie de la diode Réflexion totale Loi de Snell-Descartes q2 n1sinq1 = n2sin q2 Air (n2 = 1) q1 Semiconducteur (n1 ~3.5) qrt

Rendement Rendement optique ho Photon sortant de la diode Photon réfléchi à interface air/SC Angle solide couvrant espace : qrt Angle solide sous-tendu par qrt : f

Rendement Rendement optique ho n = 3.5 ho = 1 % + interface transparent en plastique d’indice np = 1.5 ho = 4 % + interface hémisphérique (incidence normale) T = 96 %

Rendement Rendement quantique externe he Nb photons émis he = hi ho = Nb porteurs traversant p-n Rendement global h

Rendement Rendement global h LED AlGaInP (rouge / jaune) h > lampe à incandescence

Temps de réponse, fréquence de coupure Modulation par courant injecté dans la diode Fréquence de modulation limitée par diffusion dans jonction p n Vo+V1sin(wt) W dp Ln - dp >> Ln - Vo >> V1 - faible injection t ~ constant

Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : avec Vo V1sin(wt)

Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : avec

Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : (dp >> Ln)

Temps de réponse, fréquence de coupure Courant traversant la jonction : J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp) soit avec

Temps de réponse, fréquence de coupure Nombre de photons émis (/cm2 s) : N Nb photons émis he = hi ho = Nb porteurs traversant p-n soit avec

Temps de réponse, fréquence de coupure et Modulation du rayonnement Efficacité de modulation Modulation du courant d’excitation

Temps de réponse, fréquence de coupure Efficacité de modulation avec (efficacité de modulation basse fréquence) et (passe-bas)

Temps de réponse, fréquence de coupure Fréquence de coupure or (B : probabilité de transition radiative) fc augmente si po (dopage) augmente Utilisation de forts dopages dans limites de solubilité

Temps de réponse, fréquence de coupure Fréquence de coupure Ex : GaAs Limite de solubilité ~ 1018 /cm3 et B = 7.2x10-10 cm3/s fc = 114 MHz

Temps de réponse, fréquence de coupure

Brillance : Br (W/sr m2) Emission dans demi-plan et non isotrope Bro brillance dans direction axiale ; S surface émettrice Flux d’énergie ft = pSBro

Structure des LEDs usuelles 3 applications usuelles : - affichage - photocoupleurs - transmission par fibre Application conditionne la structure

Structure des LEDs usuelles : affichage Emission dans le visible (Eg) Surface émettrice suffisante (géométrie)

Structure des LEDs usuelles : photocoupleurs Circuit 1 Circuit 2 Photo diode (Si) LED Transmission de signaux logiques entre 2 circuits isolés Emission LED compatible avec Si : GaAsP

Structure des LEDs usuelles : transmission par fibres Emission LED compatible avec l = 1.3 ou 1.5 µm Possibilité de modulation

Structure des LEDs usuelles : caractéristique commune Fort rendement quantique interne hi (tnr >> tr) Matériaux purs (chimique et cristallographique) Réalisations de couches épitaxiées

Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE) Ga Ultravide (10-10 Torr) Dopage durant croissance Nettoyage substrat in-situ Tsubstrat ~ °C Vitessedépôt ~ µm/min As P dopants

Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange) contact isolant Couche active injection des électrons (n) Recombinaison (p) gap direct pour x = 0.35 GaAs0.35P0.65 p GaAs0.35P0.65 n GaAs0.35P0.65 Couche tampon accord du paramètre de maille GaAsxP1-x (0<x<0.35) GaP n+ Germe (cristal) + conductivité contact

Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange) Encapsulation Protection de LED et contacts Augmente rendement (discontinuité d’indices, diminution de réflexion : incidence normale)

Exemple de LEDs usuelles

Photoémetteurs Laser à semiconducteur
Principe LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1917 : découverte de l’émission stimulée (Einstein) 1960 : premier LASER à rubis (Maiman) 1958 : théorie de LASER à semiconducteur (Aigrain) 1962 : premier LASER à semiconducteur (AsGa)

Principe : Laser E Pompage (excitation externe) 1 2 3 Durée de vie dans état 2 >> durées de vie transitions (3 → 2) et (1 → 0) N2 > N1 : inversion de population

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur Niveaux discrets remplacés par bandes d’énergie N2 > N1  EFn-EFp > Eg (condition d’inversion) Rayonnement amplifié réabsorbé par transitions intrabandes

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur EFn-EFp > Eg (condition d’inversion) E E E EFn EFn EC EC EC Eg Eg Eg EV EV EV EFp EFp EF N(E) N(E) N(E) Équilibre thermodynamique Inversion (0 K) Inversion (RT)

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur Rayonnement réabsorbé par transitions intrabandes E = hn hn E = hn

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct Régions n et p très fortement dopées ; régime de forte injection Extréma BV et BC perturbés Gap effectif E’g < Eg Laser à injection ou diodes lasers

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct p n p n Ec Ec EFc Eg Ev Ev VF EF EFv Eg Equilibre thermique Polarisation directe

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct p n p n Ec Ec EFc Eg Ev Ev VF EF EFv Eg d Zone d’inversion Equilibre thermique Forte injection

Principe : caractéristiques communes faibles dimensions (~ µm) puissance et cohérence spatiale << lasers conventionnels rendement >> lasers conventionnels (conversion efficace) grande facilité de modulation (transmission par fibres) spectre couvert visible  proche IR (III-V ; II-VI)

Gain : g(E) F(E) : flux de photons dans le matériau Gain (gain ↔ coefficient d’absorption a(E) si g(E) < 0)

Gain : g(E) rst(E) : taux d’émission stimulée rst(E) = (Nb photons créés par stimulation) / V t Injection donnée, g = g(E)

Gain : g(E) Condition d’émission stimulée : g(E) > 0 (inversion de population) et g(E) supérieur aux pertes (transitions intrabandes)

Gain : g(E) Transitions intrabandes Absorption par porteurs libres (Auger) E = hn hn Coefficient d’absorption par porteurs libres ap(E) E = hn Coefficient net d’absorption A(E) = g(E) - ap(E)

Gain net : A(E) = g(E) - ap(E) Condition d’émission stimulée : A(E) > 0 - augmentation de l’intensité du signal lumineux émis - directivité de l’émission (direction la + grande de diode) Diode superradiante

Gain Electrodes métalliques p n Zone active L d L : longueur de la diode ~ 300 µm d : épaisseur de zone active ~ 0.2 µm

Gain Semiconducteur, n ~ 3.5 Réflexion (~ 30 %) interface air / SC Cavité résonante (Fabry-Pérot) Photons transmis Photon stimulé émis p d n L

Gain Photon stimulé émis p M1 M2/3 d M4/5 n L Flux en M1 : F(E)  flux F(E)eA(E)L en M2 (avant réflexion)  flux RF(E)eA(E)L en M3 (après réflexion)  flux RF(E)e2A(E)L en M4 (avant réflexion)  flux R2F(E)e2A(E)L en M5 (après réflexion) Résonance si R2F(E)e2A(E)L > F(E)

Gain Condition de résonance : R2F(E)e2A(E)L > F(E) Avec ap(E) ~ 70 cm-1 ; n = 3.6 ; R ~ 30 % ; L = 300 µm g(E) > 100 cm-1

Gain résonance g(E) (cm-1) émission stimulée 150 ap+ (1/L)Ln(1/R) 100 ap 50 E0 E E < E’g E’g E1 E2 E’2 E’1 E > E0 Pas de photon émis A(E) < 0 émission spontanée A(E) < 0 émission spontanée Pas d’inversion émission spontanée

Distribution spectrale du rayonnement  sans résonance où DF = EFn - EFp Position de raie stimulée : > 0 (inversion)

Distribution spectrale du rayonnement  sans résonance Raie d’émission stimulée sur flanc montant de rsp(E) = f(E) Forte injection (DF grand) raie d’émission stimulée au maximum du spectre d’émission spontanée

Distribution spectrale du rayonnement  sans résonance F(E) Très forte injection émission stimulée Pic d’émission stimulée au maximum de rsp(E) à très forte injection Forte injection émission stimulée Pic d’émission stimulée sur le flanc montant de rsp(E) E Faible injection pas d’émission stimulée

Distribution spectrale du rayonnement  avec résonance L k = 1 k = 2 k = 3 d milieu d’indice n Résonance possible pour k modes avec 2nL = kl

Distribution spectrale du rayonnement  avec résonance 2nL = kl entre 2 modes, Dk = -1 distance intermode

Distribution spectrale du rayonnement  avec résonance E (eV) E (eV)

Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm n 1 % d Variation d’indice (~ 1 %) dans zone de forte injection Guide d’onde (confinement)

Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm Amplification maximale dans la direction la plus grande (L)

Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm q1 q2 l = 1 µm ~ d ~ l Ouverture faisceau conditionnée par diffraction

Emission stimulée F ~ J Courant de seuil : Jo F J Jo Flux F(E) Emission spontanée F ~ J Courant excitateur J

Courant de seuil : Jo J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp) (gn >> gp) Hypothèses : - zone active homogène - e- injectés recombinés dans zone active

Courant de seuil : Jo (équation de continuité) Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i Durée de vie des e- en régime d’émission spontanée

Courant de seuil : Jo Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i Taux d’émission de photons stimulés dans mode i L i = 1 i = 2 i = 3 d milieu d’indice

Courant de seuil : Jo Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i Taux d’émission de photons stimulés dans mode i Densité de photons sur le mode i

Courant de seuil : Jo où Ai(n) ~ gain du laser On stipule Ai(n) = Ain avec Ai (cm3/s)

Courant de seuil : Jo Recombinaison de photon dans mode i Durée de vie d’un photon dans mode i dans la cavité Génération de photon dans mode i Probabilité de génération spontanée d’un photon dans mode i

Courant de seuil : Jo tN : Durée de vie d’un photon du mode i dans la cavité Vitesse du photon dans cavité d’indice Pertes dans la cavité

Courant de seuil : Jo Hypothèses : - diode monomode - gi ~ 0

Courant de seuil : Jo En régime stationnaire, J constant  n et N constants

Courant de seuil : Jo F Si J < Jo, N négligeable (rayonnement spontané seulement) et J Jo

Courant de seuil : Jo F Si J = Jo et J Jo

Courant de seuil : Jo F Si J > Jo (tn diminue car émission stimulée → n sature) J Jo

Courant de seuil : Jo Mode plus intense peut changer au cours du temps (influence dans communication par fibres) Comportement réel diodes multimodes zone active non homogène (comportement filamentaire) E (eV)

Fréquence de coupure F Variation linéaire F = f(J) Modulation d’amplitude pour communication par fibre J Jo Fréquence de coupure fc conditionnée par tn LED émission spontanée, tn ~ 1 ns Diode laser, tn plus faible (émission stimulée)  fc plus grande

Fréquence de coupure J’ = J + DJejwt avec J > Jo ; DJ << J – Jo n’ = n + Dnejwt N’ = N + DNejwt

Fréquence de coupure En régime stationnaire,

Fréquence de coupure De même,

Fréquence de coupure (J > Jo) et (n sature car émission stimulée)

Fréquence de coupure On pose et

Fréquence de coupure

Fréquence de coupure modulation On pose et Amplitude de modulation

Fréquence de coupure A ~ Ao si w << wo A ~ Aowo2/w2 si w >> wo A = Amax = Ao/g si w >> wo Fréquence de résonance

Fréquence de coupure fo augmente avec J

Fréquence de coupure Ordres de grandeur tn ~ 10-9 s (LED émission spontanée) avec ap ~ 60cm-1, L ~ 300 µm R ~ 30 % et ~ 3.5 tN ~ s Pour J = 1.1Jo 10 x supérieure à fc pour LED

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH) L ~300 µm p GaAs 1 µm d ~ 0.1 µm l ~ 10 µm Confinement des électrons et des photons dans zone active

Structure réelle des diodes lasers Confinement des photons dans zone active par variation importante d’indice entre AlGaAs et GaAs (~ 5 %) Meilleur confinement que dans homojonction ( )

Structure réelle des diodes lasers Confinement des électrons dans zone active par variation du gap entre Al0.7Ga0.3As (1.9 eV) et GaAs (1.4 eV)

Structure réelle des diodes lasers Irradiation aux protons Confinement supplémentaire des électrons dans zone active par irradiation sélective aux protons zones fortement résistives Zones résistives

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH) Confinement des électrons et des photons dans zone active limite le courant de seuil Jo Utilisation de puits quantiques (hétérostructures qqs 10 nm) augmente encore confinement des électrons

Structures verticales (VCSEL) Vertical Cavity Surface Emitting Laser Emission de lumière ┴ zone active - Nombreux lasers sur même substrat - Connexion plus simple avec fibres optiques

Structures verticales (VCSEL) Mais un seul passage des photons dans zone active résonance Puissance faible

Structures verticales (VCSEL) Distributed Bragg Reflectors + confinement

Structures verticales (VCSEL) Distributed Bragg Reflectors : multicouches de semiconducteur d’indice différent Réflectivité ~ 99.9 % (/ 30 % pour miroirs classiques)

Structures verticales (VCSEL)

Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications
Choix de l’émetteur Spectre d’émission compatible avec fibres optiques Modulation Couplage émetteur / fibre

Choix de l’émetteur Fibres optiques : - transparence et faible dispersion l = µm - diamètres qqs µm → qqs 100 µm Emetteurs : - rayonnement modulable l = µm - surface active de faibles dimensions LED’s et diodes lasers

Choix de l’émetteur LED’s :  moins chères  meilleure durée de vie  facilement modulables Diodes laser :  surface active plus faible  rayonnement + monochromatique  rayonnement + puissant et directif Diminue dispersion intermode Favorise couplage

Ouverture numérique de la fibre gaine cœur ar q Fibre a Fibre à variation brutale d’indice

Ouverture numérique de la fibre a ar q Réflexion totale Angle d’incidence maximal am ↔ qc Ouverture Numérique ON

Ouverture numérique de la fibre a ar q Ex : Cœur en silice dopée (SiO2-GeO2) : Gaine en silice pure (SiO2) : Fibre dans l’air : ON = 0.3 et am = 18° (fibres à gradient d’indice moins tolérantes)

Couplage émetteur-fibre LED de surface émettrice S ↔ fibre de section de cœur > S Flux d’énergie transmis par la fibre : LED Wm am S

Couplage émetteur-fibre où Br : brillance or Br = Bro cosa (Bro : brillance dans direction axiale)

Couplage émetteur-fibre : flux transmis par fibre : flux total émis par la diode Rendement de couplage hc hc ~ 10 % pour ON = 0.3

Couplage émetteur-fibre Rendement de couplage : Si surface de la fibre Sf < S  hc réduit de Sf / S Couplage optimal si ON maximal et Sf > S

Couplages LED-fibre

Couplages diode laser-fibre

Composants Optoélectroniques
Références H. Mathieu : Physique des semiconducteurs et des composants électroniques Masson S.M. Sze : Semiconductor devices Wiley

Composants optoélectroniques

Présentations similaires

Présentation au sujet: "Composants optoélectroniques"— Transcription de la présentation:

Présentations similaires

Notre projet

Feed-back

Entrer

S'autoriser via un réseau social:

Composants optoélectroniques

Présentations similaires

Présentation au sujet: "Composants optoélectroniques"— Transcription de la présentation:

Présentations similaires

Notre projet

Feed-back