2.0M - INAC

Département de recherche fondamentale
sur la matière condensée
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Faits marquants du DRFMC
Des microcavités pour l'infrarouge
n° 386 - 1/03/96
lp_bleu1.gif (847 octets)
Une microcavité c'est un milieu optique dans lequel un petit nombre de modes optiques sont seuls autorisés à se
propager. De même qu'un filtre très sélectif ne transmet qu'une bande étroite de longueurs d'onde, la microcavité ne
laissera prendre naissance et se propager que les photons dont la longueur d'onde est située dans une bande bien
délimitée. Le Laboratoire de Physique des Semiconducteurs du Service de Physique des Matériaux et Microstructures
a réalisé récemment les premières diodes électroluminescentes à microcavité fonctionnant dans l'infrarouge (3.2 µm).
La microcavité est du type Fabry-Perot, avec deux miroirs séparés par un espace épais d'une demi longueur d'onde
(l/2). Elle est réalisée de façon très compacte et monolithique, comme celle représentée sur le schéma de la figure 1.
Le miroir inférieur est un miroir interférentiel constitué de plusieurs paires de couches, qui ont chacune l'épaisseur l/4
(l'indice n est l'indice de la couche considérée). Les paires sont constituées à partir des semiconducteurs CdTe et
HgTe pour lesquels l'indice varie de 2.6 à 3.3 et la variation de maille cristalline reste inférieure à 1/1000. C'est donc un
excellent système pour réaliser des miroirs de Bragg par épitaxie par jets moléculaires, qui n'avait pas encore été
utilisé dans ce type d'application. Les miroirs sont fabriqués en empilant alternativement des couches de Cd0.75Hg0.25T
et de Cd0.5Hg0.5Te. Le domaine d'élection de ces miroirs se situe dans l'infrarouge. Leur réflectivité peut atteindre 98%
la longueur d'onde de 4.5µm, par exemple. A partir de cette brique élémentaire, il a été possible de réaliser des diodes
électroluminescentes à microcavité émettant dans l'infrarouge, à température ambiante.
Dans ce composant, le miroir inférieur est constitué de 10,5 périodes, et épais de 5 µm environ. Sa réflectivité est de
86%, suffisante pour l'application envisagée. Au dessus de ce miroir, on rencontre le milieu de la cavité résonante
proprement dite, constitué de nouveau d'un alliage Cd0.75Hg0.25Te. Son épaisseur e fixe la longueur d'onde de résonanc
de la cavité, suivant la formule e=l0/2n, où n est l'indice optique du matériau de la cavité. Dans le cas présent la
longueur d'onde de résonance a été fixée à 3,2µm. Puisque l'objectif est de faire un composant émetteur de lumière,
faut introduire dans la cavité une couche active émettrice de lumière. Elle est constituée de 50 nm d'un alliage CdXHg
XTe dont la composition est ajustée pour émettre de la lumière autour de la longueur d'onde de résonance.
Pour être complète la cavité doit être terminée par un second miroir qui pourrait être semblable au miroir inférieur. Une
solution plus simple a été retenue; elle consiste à déposer un miroir métallique en or, qui, en outre, permet de prendr
le contact sur le composant. De part et d'autre de la couche active, des régions de la cavité sont dopées n et p et des
contacts métalliques sont pris grâce à la couche d'or (le miroir supérieur) et à une couche d'indium déposée dans un
trou gravé. Le passage de courant électrique entre les deux contacts conduit à injecter des électrons et des trous dans
la cavité et leur recombinaison dans la couche active produit une émission de lumière, que l'on observe à travers le
substrat.
La figure 2 montre le spectre de la lumière émise par ce nouveau composant. Il est constitué d'une bande étroite
autour de 3,2 µm, puisque c'est la résonance de la cavité qui contrôle la lumière émise. La largeur de la bande
d'émission est beaucoup plus étroite que la bande qui serait naturellement émise par le milieu actif seul et qui est
donnée sur la figure à titre de comparaison. Cette propriété peut se révéler très économe en énergie pour des
applications, telles que la détection de polluants par leur absorption sélective du rayonnement infrarouge, qui ne
nécessitent qu'un spectre étroit de lumière
Les spectres obtenus à des températures aussi différentes que 15 K et 300K montrent que la longueur d'onde émise
varie très peu, et cela est certainement un autre atout de ce composant. La large gamme des longueurs d'onde émise
par le semiconducteur change avec la température (de 2.9 à 3.2 µm), mais la cavité sélectionne une bande étroite de
longueur d'onde qui, elle, est indépendante de la température. Un autre avantage, qui a pu être vérifié, est que le cône
d'émission de la lumière est rendu bien plus étroit par l'effet de la cavité.
Les applications des diodes électroluminescentes dans l'infrarouge peuvent être multiples, que ce soit dans le domaine
des télécommunications optiques à travers l'atmosphère (la bande de transmission 3-5 µm est bien connue) ou de
l'environnement (la plupart des composants organiques et des polluants ont des bandes d'absorption intenses dans
l'infrarouge). On peut imaginer des systèmes de détection très simples constitués de 2 diodes, l'une des diodes émet
lumière correspondant à la bande d'absorption et l'autre détecte la fraction du rayonnement qui a traversé la couche
polluée. Comme les rayonnements de grande longueur d'onde sont moins sensibles au brouillard, cela peut rendre
commode leur utilisation pour des mesures dans des conditions difficiles (pollution au dessus d'un site industriel,
instrument embarqué sur une automobile, etc.).
Figure 1 : Schéma d'une diode électroluminescente à microcavité réalisée en CdHgTe.
Figure 2 : Le spectre de lumière émise par la diode électroluminescente à cavité résonante. Le spectre évolue très peu
avec la température. Pour comparaison on montre le spectre large correspondant à l'émission du milieu actif seul, s'il
n'était pas associé à une cavité résonante.
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