Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

Composants optoélectroniques

P. Lévêque

CNRS-InESS, Strasbourg

Plan du cours

1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

Plan du cours

1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

Photoémetteurs

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

Photoémetteurs

PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Jonction p-n polarisée en direct

WdiffusionEF

diffusionEF

EFneVF

Jonction p-n polarisée en direct

EFneVF

Rappel : jonction p-n polarisée en direct

xdp dn

pnF x)/L(xkT

nnon e1eppp

Ln(p) << dn(p)

xp xnxc

Rappel : jonction p-n polarisée en direct

xdp dn

pnF x)/L(xkT

p e1eLN

Den(x)j

xp xnxc

peD(x)j pp

Si VF est suffisante W étroite rôle mineur dans émission

Injection de trous dans zone de type n

Den)(xj kT

Injection d’électrons dans zone de type p

Den)(xj kT

Courant total J conservatif (indépendant de x)

)(xj)(xjJ pnnp

Den1eJ

Taux d’injection des porteurs minoritaires

)(xjγ;

)(xjγ

n (n >> p)

Recombinaisons essentiellement dans zone p

Structure LED

substrat

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

Matériau Pic (nm) Couleur Rendement (%)

GaAs (Si) 1000 IR 10

GaAs (Zn) 900 IR 0.1

GaP (Zn, O) 699 Rouge 4

GaAs0.6P0.4 (Te) 644 Rouge 0.2

GaAs0.35P0.35 (S, N) 632 Orange 0.2

GaP (N) 690 Jaune 0.1

GaAs0.15P0.85 (S, N) 589 Jaune 0.05

GaP (N) 570 Vert 0.1Gapindirect

Rendement Rendement quantique interne i

rri rr

Taux de recombinaison radiatif

(nr >> r SC à gap direct)

Rendement radiatif

Rendement Rendement optique o

Photons réabsorbés avant sortie de la diode

Réflexion totale

Semiconducteur (n1 ~3.5)

Air (n2 = 1)

Loi de Snell-Descartes

n1sin1 = n2sin 2

rt 16θ

π/2sinsinθ rtrt

Photon réfléchià interface air/SC

Photon sortantde la diode

Angle solide couvrant espace :

4πdθsinθdφΩ2π

Angle solide sous-tendu par rt :

0rt cosθ-12πdθsinθdφΩ

cosθ-12πT

n = 3.5 o = 1 %

+ interface transparent en plastique d’indice np = 1.5

o = 4 %

+ interface hémisphérique (incidence normale)

T = 96 %

Rendement

Rendement quantique externe e

e = i o =

Rendement global

N Nb photons émis

Nb porteurs traversant p-n

Rendement Rendement global

LED AlGaInP (rouge / jaune) > lampe à incandescence

Temps de réponse, fréquence de coupure

Modulation par courant injecté dans la diode

Fréquence de modulation limitée par diffusion dans jonction

Vo+V1sin(t) W

- dp >> Ln

- Vo >> V1

- faible injection

~ constant

Distribution des électrons dans zone p :

t)Δn(x,

t)n(x,D

t)Δn(x,

avec tj1o (x)eΔn(x)Δnt)Δn(x,

Vo V1sin(t)

(x)Δn

(x)n2n

(x)Δn

(x)n2*

nnn τDL

nn*n τj1

)x-(x-

poo )e(xΔn(x)Δn

)x-(x-

p11 )e(xΔn(x)Δn

(dp >> Ln)

Courant traversant la jonction :

J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp)

t)Δn(x,eDJ

soit tjo eωJJJ ω avec )(xΔn

eDωJ p1*

Nombre de photons émis (/cm2 s) : N

e = i o =él.

N Nb photons émis

Nb porteurs traversant p-n

Δneηdx

Δnηdx

ΔnηN

ppp x n

soit tjo eωNNN ω avec )(xΔn

LηωN p1

)(xΔnτ

LηωN p1

e )(xΔnL

eDωJ p1*

Efficacité de modulation ωJ

ωNωR

Modulation du rayonnement

Modulation du courantd’excitation

Efficacité de modulation n

o (efficacité de modulation basse fréquence)

(passe-bas)

Fréquence de coupure

ωf cc

(B : probabilité de transition radiative)

fc augmente si po (dopage) augmente

Utilisation de forts dopages dans limites de solubilité

Fréquence de coupure2π

ωf occ

fc = 114 MHz

Ex : GaAs

Limite de solubilité ~ 1018 /cm3 et B = 7.2x10-10 cm3/s

Brillance : Br (W/sr m2)

Emission dans demi-plan et non isotrope

Bro brillance dans direction axiale ; S surface émettrice

Flux d’énergie t = SBro

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

LED Photo diode (Si)

Circuit 1 Circuit 2

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 = 1.3 ou 1.5 µm

- Possibilité de modulation

Structure des LEDs usuelles : caractéristique commune

Fort rendement quantique interne i

Matériaux purs (chimique et cristallographique)

(nr >> r)

Réalisations de couches épitaxiées

Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

dopants

Ultravide (10-10 Torr)Dopage durant croissanceNettoyage substrat in-situTsubstrat ~ 400-900 °CVitessedépôt ~ 10-3-0.3 µm/min

Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange)

GaP n+

isolant

contact

GaAsxP1-x (0<x<0.35)

GaAs0.35P0.65

GaAs0.35P0.65 nGaAs0.35P0.65 p

contact

Germe (cristal) + conductivité

Couche tamponaccord du paramètre de maille

Couche activeinjection des électrons (n)

Recombinaison (p)gap direct pour x = 0.35

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

PhotoémetteursLaser 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)

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

EFn-EFp > Eg (condition d’inversion)

Équilibre thermodynamique Inversion (0 K) Inversion (RT)

Rayonnement réabsorbé par transitions intrabandes

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

Equilibre thermique

Polarisation directe

Equilibre thermique

Forte injection

Zone d’inversion

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)

(E) : flux de photons dans le matériau

(gain ↔ coefficient d’absorption (E) si g(E) < 0)

xEgo (E)eΦΦ(E)

Gain : g(E)

rst(E) : taux d’émission stimulée

(E)rg(E) st

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)

Coefficient d’absorptionpar porteurs libres p(E)

Coefficient net d’absorptionA(E) = g(E) - p(E)

Gain net : A(E) = g(E) - p(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

Electrodes métalliques

Zone active

L : longueur de la diode ~ 300 µmd : épaisseur de zone active ~ 0.2 µm

Semiconducteur, n ~ 3.5

Réflexion (~ 30 %) interface air / SC

Cavité résonante (Fabry-Pérot)

Photon stimuléémis

Photons transmis

Photon stimuléémis

M1 M2/3

Flux en M1 : (E) flux (E)eA(E)L en M2 (avant réflexion)

flux R(E)eA(E)L en M3 (après réflexion)

flux R(E)e2A(E)L en M4 (avant réflexion)

flux R2(E)e2A(E)L en M5 (après réflexion)

Résonance si R2(E)e2A(E)L > (E)

Gain Condition de résonance : R2(E)e2A(E)L > (E)

1(E)αg(E) p

Avec p(E) ~ 70 cm-1 ; n = 3.6 ; R ~ 30 % ; L = 300 µm

g(E) > 100 cm-1

g(E) (cm-1)

p+ (1/L)Ln(1/R)

E’g E1 E2 E’2 E’1

Pas de photonémis

E < E’g

Pas d’inversionémission

spontanée

E > E0

A(E) < 0émission

spontanée

A(E) < 0émission

spontanée

résonanceémissionstimulée

Distribution spectrale du rayonnement sans résonance

ΔF)-(E

spst e-1(E)r(E)r où F = EFn - EFp

Position de raie stimulée : 0dE

(E)drst

(E)dr/kTEΔFsp

> 0 (inversion)

(E)drst 1e

(E)dr/kTEΔFsp

(E)drlim

Raie d’émission stimulée sur flancmontant de rsp(E) = f(E)

Forte injection (F grand)raie d’émission stimulée

au maximum du spectre d’émissionspontanée

EFaible injection

pas d’émission stimulée

Forte injectionémission stimulée

Très forte injectionémission stimulée

Pic d’émissionstimulée sur le flanc

montant de rsp(E)

Pic d’émissionstimulée au maximum de rsp(E) à très forte

injection

Distribution spectrale du rayonnement avec résonance

k = 1 k = 2 k = 3 d

Résonance possible pour k modes avec 2nL = k

milieu d’indice n

2nL = k

entre 2 modes, k = -1

distance intermode2nL

E (eV)

Distribution spatiale du rayonnement

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

Variation d’indice (~ 1 %) dans zone de forte injection

Guide d’onde (confinement)

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

Amplification maximaledans la direction la plus

grande (L)

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

= 1 µm ~ d ~ l

Ouverture faisceauconditionnée par

diffraction

Courant de seuil : Jo

Courant excitateur JFlux (E)

Emission spontanée ~ J

Emission stimulée ~ J

J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp) (n >> p)

Hypothèses : - zone active homogène

- e- injectés recombinés dans zone active

0dxj pn

j pnpnpnnn

dn (équation de continuité)

stsp iR

Durée de vie des e- en régime d’émission spontanée

Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i

Taux d’émission de photons stimulés dans mode i

i = 1 i = 2 i = 3 d

milieu d’indice n~

Taux d’émission de photons stimulés dans mode i

iist (n)NARi

Densité de photons sur le mode i

iist (n)NARi où Ai(n) ~ gain du laser

On stipule Ai(n) = Ain avec Ai (cm3/s)

iii rg

Génération de photon dans mode i

Recombinaison de photon dans mode i

niiii τ

nγnNAg

Probabilité de génération spontanée d’un photon dans mode i

Durée de vie d’un photon dans mode idans la cavité

N : Durée de vie d’un photon du mode i dans la cavité

Vitesse du photon dans cavité d’indice n~

Pertes dans la cavité

nγnNA

Hypothèses : - diode monomode

- i ~ 0

En régime stationnaire, J constant n et N constants

Jτn n

Si J < Jo, N négligeable(rayonnement spontané seulement)

τJn no

o Si J = Jo

No Aτ

τJnn no

o Si J > Jo

(n diminue car émission stimulée → n sature)

0NAnτ

E (eV)

Comportement réel

diodes multimodeszone active non homogène

(comportement filamentaire)

Mode plus intense peut changer au cours du temps

(influence dans communication par fibres)

Variation linéaire = f(J)

Modulation d’amplitude pour communication par fibre

Fréquence de coupure fc conditionnée par n

LED émission spontanée, n ~ 1 nsDiode laser, n plus faible (émission stimulée) fc plus grande

J’ = J + Jejt avec J > Jo ; J << J – Jo

n’ = n + nejt

N’ = N + Nejt

tjtjNeNnenA

ΔΔΔΔ

n tjnetj

dn' Δ

En régime stationnaire, 0AnNτ

ΔJNAnjωAN

tjtjNeNnenA

ΔΔΔΔ

De même,

0NjωAnτ

JNAnjωAN

ΔΔΔ

(J > Jo)

No Aτ

1nn (n sature car émission stimulée)

njω-n1

ΔΔΔ

On pose

njω-nω

Njωβn

ΔΔΔ

/ωωω/ωjβ/ω

jβωω

ΔΔmodulation

On poseoω

βγ et 2

Amplitude de modulation2/1

A ~ Ao si << o

A ~ Aoo2/2

si >> o

A = Amax = Ao/si >> o

Fréquence de résonance

0.01 0.1 1 10

J=1.01Jo

J=1.1Jo

J=1.5Jofo augmente

avec J

Ordres de grandeur

n ~ 10-9 s (LED émission spontanée)

avec p ~ 60cm-1, L ~ 300 µmR ~ 30 % et ~ 3.5n~

N ~ 10-12 s

Pour J = 1.1Jo GHz6.11J

10 x supérieure à fc pour LED

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)

l ~ 10 µm

d ~ 0.1 µm

L ~300 µm

p GaAs1 µm

Confinement des électrons et des photons dans zone active

Structure réelle des diodes lasers

Confinement des photons dans zone active par variationimportante d’indice entre AlGaAs et GaAs (~ 5 %)

Meilleur confinement que dans homojonction ( )%1~

Confinement des électrons dans zone active par variation

du gap entre Al0.7Ga0.3As (1.9 eV)et GaAs (1.4 eV)

Confinement supplémentaire des électrons dans zone active par irradiation

sélective aux protons

zones fortement résistives

Irradiation aux protons

Zones résistives

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)

Confinement des électrons et des photons dans zone activelimite 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

Mais un seul passagedes photons dans zone active

résonance

Puissance faible

Distributed Bragg Reflectors

+ confinement

Distributed Bragg Reflectors :

multicouches de semiconducteurd’indice différent

Réflectivité ~ 99.9 % (/ 30 % pour miroirs classiques)

Photoémetteurs

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Choix de l’émetteur

- Spectre d’émission compatible avec fibres optiques- Modulation- Couplage émetteur / fibre

Fibres optiques :- transparence et faible dispersion = 1.3 - 1.5 µm- diamètres qqs µm → qqs 100 µm

Emetteurs :- rayonnement modulable = 1.3 - 1.5 µm- surface active de faibles dimensions

LED’s et diodes lasers

LED’s :

moins chères meilleure durée de vie facilement modulables

Diodes laser :

surface active plus faible rayonnement + monochromatique rayonnement + puissant et directif

Diminue dispersion intermodeFavorise couplage

Ouverture numérique de la fibre

Fibre à variation brutale d’indice

r1o sinαn~sinαn~

Réflexion totale

n~sinθ

Angle d’incidence maximal m ↔ c

m n~n~n~

ArcsinαOuverture Numérique ON

m n~n~n~

Arcsinα

Ex : Cœur en silice dopée (SiO2-GeO2) :Gaine en silice pure (SiO2) :Fibre dans l’air :

53.1n~1 5.1n~2

ON = 0.3 et m = 18° (fibres à gradient d’indice moins tolérantes)

Couplage émetteur-fibre

rf dΩBS

LED de surface émettrice S ↔ fibre de section de cœur > S

Flux d’énergie transmis par la fibre :

m mm cosα-12πΩ

rf dΩBS mα

0rf sinαB2πΦ dS où Br : brillance

or Br = Bro cos (Bro : brillance dans direction axiale)

ONπSBαsinπSBΦ

ONπSBΦ : flux transmis par fibre

: flux total émis par la dioderot πSBΦ

Rendement de couplage c

n~n~n~

c ~ 10 % pour ON = 0.3

Rendement de couplage : 20

n~n~n~

Si surface de la fibre Sf < S c 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 électroniquesMasson

S.M. Sze : Semiconductor devicesWiley

http://britneyspears.ac/lasers.htmhttp://www.arcelect.com/fibercable.htmhttp://www.lanshack.com/fiber-optic-tutorial-fiber.asphttp://www.nepcorp.com/http://www.rohm.com/products/shortform/18led/led_index.htmlhttp://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/

Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

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