LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: LA MICRO ET OPTO
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LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: LA MICRO ET OPTO-ELECTRONIQUE Emmanuel ROSENCHER Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) Département de Physique (École Polytechnique) « Laissez dire les sots ; le savoir a son prix » Jean de La Fontaine. Livre VIII L'Avantage de la science 1/40 De quoi va-t-on parler? • Là où tout commence : l’effet photoélectrique • Les briques de base • La micro-électronique • La détection quantique • Les émetteurs de lumière • Les nouvelles frontières 2/40 LA OU TOUT COMMENCE: L’EFFET PHOTOELECTRIQUE 3/40 En 1803, Thomas Young prouve la nature ondulatoire de la lumière 1 2 Thomas Young 1805 - La lumière est une “onde” - Les “ondes” s’ajoutent E = E1 + E2 E 2 = E12 + E2 2 + 2 E1 E2 4/40 interferences En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz découvre l’effet photoélectrique V 0 Rudolf-Heinrich Hertz, 1887 « Il semble y avoir un rapport entre l’énergie des électrons émis et la fréquence de la lumière excitatrice » Philipp 5/40 von Lenard, 1895 LE SPECTRE DU CORPS NOIR 14 13 3 Hertz 3 2 Emissivité (W/m /µm) 10000 Max Planck 14 Décembre 1900 1000 1000K 100 300 K 10 1 1 10 Longueur d'onde (µm) La lumière arrive en paquets d’énergie quantifiée E = h f 6/40 h = 6.63 10-34 J.s Et Dieu créa Albert Einstein … … et Albert Einstein créa le photon Énergie des électrons métal vide ∆E W= potentiel qui retient les électrons dans le métal Albert Einstein en 1905 h f h f’ h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir 7/40 Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort… ∆E Millikan 1925 h = 6.63 10-34 J.s !!!!! La Physique Quantique vient de naître …. 8/40 longueur d ' onde ( µm) = 1,24 (eV ) µm energie du photon (eV ) Longueur d’onde Énergie (eV) 100 Pile électrique 300 K 10 UV 1 0,1 0,01 9/40 X 10 nm 100 nm 1 µm infrarouge 10 µm 100 µm La cellule photoélectrique: le premier composant quantique … LEE De FOREST 10/40 La première caméra de télévision QUELQUES BRIQUES DE BASE: Le formalisme de la mécanique quantique Les semiconducteurs La diode Le puits quantique 11/40 Dualité onde - corpuscule Aspect ondulatoire Aspect corpusculaire 1 2 - La lumière est une “onde” - Les “ondes” s’ajoutent E = E1 + E2 12/40 ? Louis de Broglie découvre que les électrons se comportent comme des ondes Énergie des électrons λ λ 1925 2 h 1 E= 2 m λ2 13/40 Relation entre la longueur d’onde et l’énergie d’un électron La mécanique quantique et l’interprétation de Copenhague P( ψ )= ψ 1 +ψ 2 ψ 1 +ψ 2 2 = ψ 1 ψ 1 + ψ 2 ψ 2 + 2 Re ψ 1 ψ 2 si 2 est fermé si 1 est fermé - L’état d’une particule est définie par une fonction d’onde ψ -L’espace des états est un espace vectoriel ψ = ψ1 + ψ 2 (“la particule passe par les deux fentes en même temps”) -Le carré de la norme de ψ (noté ψ ψ ) est la probabilité de trouver la particule dans l’état ψ 14/40 Niels Bohr 1923 La mécanique quantique n’est pas une occupation sans dangers Exemple: Le chat de Schrödinger Compteur de photon 1 = chat mort 2 = chat vivant Capsule de cyanure ( chat vivant 2 chat = 1 Erwin Schrödinger 1930 15/40 + chat mort ) Bloch, Seitz, Wigner décrivent la structure de bandes des solides énergie Bande d’énergies interdites 1930 16/40 Un état vide dans la bande de valence est un trou énergie Bande de conduction Bande d’énergies interdites Bande de valence 17/40 = Wolfgang Pauli Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l’électron: C’est une quasi-particule de charge positive La transition optique interbande Bande de conduction Bande de valence Absorption de photons 18/40 Émission de photons Gaps et couleurs 4.0 ZnS ENERGY GAP AT 4.2 K IN eV UV Zn0.5 Mn0.5 Se 3.0 AlP 2.0 ZnSe CdS CdSe AlSb CdTe GaAs Si Infrarouge proche InP 1.0 GaSb Ge InSb InAs 0.0 5.4 HgS 5.6 5.8 HgSe 6.0 6.2 HgTe 6.4 LATTICE CONSTANT IN A˚ 19/40 Visible ZnTe AlAs GaP Cd0.5 Mn0.5 Te 6.6 Infrarouge lointain Le dopage, la zone de charge d’espace et la jonction p/n Si Si Si P+ Si Si Si Si B Dopage n Si Si δ+ Si Si B- Si Si Si Si Dopage p 20/40 Mendeleev III C Si P IV V Champ électrique Si TRANSISTOR REX ≈ 1 µm Chronique d’un miracle annoncé … 1930-1947 21/40 The famous lab book entree Décembre 1947 Bardeen, Shockley, Brattain 22/40 Décembre 1947 Le premier transistor 1958 Le premier circuit intégré (Jack Kilby) 2005 Circuit à 1 000 000 000 de transistors (Intel) 23/40 L’EXPLOSION DE LA MICROELECTRONIQUE 24/40 LA DETECTION QUANTIQUE: L’effet photovoltaïque Les caméras CCD Les cellules solaires 25/40 PHOTO-DETECTION QUANTIQUE BC BC BV photoémission interne transition interbande transition inter-sousbande 26/40 EFFET PHOTOVOLTAIQUE p++ n 27/40 Exemple 1: MATRICE CCD Vg Paquet d’électrons photocréés Métal 28/40 Oxide Silicium Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µm Nombre typique de pixel: 10 000 000 Taille de matrice: 1 cm2 Exemple 2: Cellule solaire en silicium Rendement quantique : 15 % Ensoleillement maximal : 1000 W/m2 4´107 Spectre solaire 3´107 Rendement de conversion dans Si W m^2.µm 2´107 1´107 0 0 1 2 3 eV 29/40 Courant maximal : 150 W/m2 4 5 LES EMETTEURS DE LUMIERE: Le puit quantique Diodes électroluminescentes Diodes lasers 30/40 Le puits quantique (1) EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES TECHNOLOGIES DE L’ULTRA-VIDE 1970-1980 GaAs AlGaAs GaAs Al As Ga Enceinte ultra-vide 31/40 Le puits quantique (2) AlGaAs GaAs AlGaAs 2 1 32/40 LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED) AlGaAs N GaAs AlGaAs P p++ n LED : 1 électron → 1 photon soit 1 Amp → 1 Watt Ampoule : 1 Amp → 0,1 Watt 33/40 Émission spontanée CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES Puissance émise GAP Ampoule Énergie des photons Caractéristiques • Large spectre émis • Faisceau assez divergent • Fréquence de modulation faible (≈100 MHz) •Technologie planaire → faible coût 34/40 Applications • Commandes à distance (zappette, automobile,…) • Panneau d’affichage, feux …. • Réseaux locaux de télécom • Révolution de l’éclairage COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES BN Bande interdite à 0 K (eV) 7 UV AlN 6 C 5 ZnS 4 ZnO 3 GaN ZnSe AlP AlAs GaP InN 2 Si 1 3.5 4.0 4.5 5.0 CdSe GaAs InP 5.5 Maille du cristal (Ang.) 35/40 ZnTe 6.0 6.5 LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE 1974 : Découverte de l’électroluminescence de GaN dans le bleu 1974- 1984 : Recherche de dopants p de GaN 1980 : Article théorique « on the impossibility to p-dope wide band gap materials » 1984-1993 : Fin des recherches sur GaN 1984-1993 : Recherche de Nakamura à la société Nichia du dopage p de GaN 1993 : Découverte du dopage de GaN par Mg !!! 2005 : Marché mondial de plusieurs milliards d’Euros Nakamura 36/40 Avant la découverte de Nakamura Après la découverte de Nakamura MORALE DE CETTE HISTOIRE ???? L’EMISSION STIMULEE Absorption Émission spontanée Émission stimulée Amplification optique Albert Einstein 1917 37/40 L’OSCILLATION LASER Intensité de l’onde Miroir 38/40 Miroir Amplificateur optique LE LASER A SEMICONDUCTEUR AlGaAs P GaAs AlGaAs N n p General electric 1968 39/40 John von Neuman 1952 LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR Puissance émise ≈λ laser LED Énergie des photons Applications Caractéristiques • Spectre émis très pur •Télécommunications • Faisceau très fin • Lecteurs de disques CD • Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz) • Pointeurs laser •Technologie non planaire → coût élevé • 40/40 Gammes des diodes lasers GaN/AlGaN Bleu-UV CD, DVD GaP/AlGaP Rouge Pointeurs GaAs/AlGaAs 0.8 – 1 µm Lecteur CD Bande interdite à 0 K (eV) 7 6 5 4 GaN 3 AlP AlAs GaP 2 1 0 41/40 AlN Si 5.0 InP/InGaAs 1.4 – 1.6 µm Télécom. InN GaAs 5.5 InP InAs 6.0 Maille du cristal (Ang.) 6.5 Exemple d’applications: le lecteur de disque compact CD et DVD Longueur d’onde Capacité de stockage Encyclopédia Univ. 42/40 785 nm 0.15 GB/cm2 0.6 m2 405 nm 0.6 GB/ cm2 0.15 m2 Exemple d’applications: les télécommunications optiques Seule le laser permet de faire entrer la lumière dans un guide d’onde 4 µm !!! Encyclopedia Universalis ≈ 1 000 GigaBit en 1/10 s sur 3000 km 43/40 LES FRONTIERES: La nano-électronique Les téraHertz Les atto-secondes(10-18 s !!) Les ExaWatts (1018 Watt!) Les états intriqués et la cryptographie quantique …. 44/40 Une terra incognita: les térahertz Radio et hyperfréquences HF VHF UHF P L S Optique C X Ku K Ka W THz LWIR SWIR NIR UV 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz 30 m 3m 30 cm 3 cm 3 mm 300 µm 30 µm 3 µm 300 nm 4 µeV 40 µeV 0.4 meV 4 meV 40 meV 0.4 eV 4 eV 40 neV 0.4 µeV Peau, tissu Intensité 45/40 ≈ λ ≈ 1 mm distance Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab) La science et la technologie sont intimement liées 46/40
