1/40

LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN:

LA MICRO ET OPTO-ELECTRONIQUE

« Laissez dire les sots ; le savoir a son prix »Jean de La Fontaine. Livre VIII

L'Avantage de la science

Emmanuel ROSENCHER

Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA)

Département de Physique (École Polytechnique)

2/40

• Là où tout commence : l’effet photoélectrique

• Les briques de base

• La micro-électronique

• La détection quantique

• Les émetteurs de lumière

• Les nouvelles frontières

De quoi va-t-on parler?

3/40

LA OU TOUT COMMENCE:

L’EFFET PHOTOELECTRIQUE

4/40

En 1803, Thomas Young prouve la nature ondulatoire de la lumière

- La lumière est une “onde”

- Les “ondes” s’ajoutent 21 EEE +=

1

2

212

22

12 EE2EEE ++=

interferences

Thomas Young1805

5/40

Rudolf-Heinrich Hertz, 1887

V 0

En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz découvre l’effet photoélectrique

Philipp von Lenard, 1895

« Il semble y avoir un rapport entrel’énergie des électrons émis

et la fréquence de la lumière excitatrice »

6/40

LE SPECTRE DU CORPS NOIR

Max Planck14 Décembre 1900

La lumière arrive en paquets d’énergie quantifiée E = h f

h = 6.63 10-34 J.s

1 101

10

100

1000

10000

Hertz

1000K

314313

300 K

Em

issi

vité

(W

/m2 /µ

m)

Longueur d'onde (µm)

7/40

Et Dieu créa Albert Einstein …… et Albert Einstein créa le photon

Albert Einsteinen 1905

W= potentiel qui retient

les électrons dans

le métal

h f

Énergie des électrons

videmétal

h f’

h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir

∆∆∆∆E

8/40

Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort…

Millikan 1925 h = 6.63 10-34 J.s !!!!!

La Physique Quantique vient de naître ….

∆∆∆∆E

9/40

µmµmondedlongueureVphotonduenergie

eV241

)(

)(,)(' =

0,01

0,1

1

10

100

Énergie (eV)

300 K

100 µm

10 µm

1 µm

100 nm

10 nm

Longueur d’onde

infrarouge

UV

X

Pileélectrique

10/40

La cellule photoélectrique: le premier composant quantique …

LEE De FORESTLa première caméra de télévision

11/40

QUELQUES BRIQUES DE BASE:

Le formalisme de la mécanique quantique

Les semiconducteurs

La diode

Le puits quantique

12/40

- La lumière est une “onde”

- Les “ondes” s’ajoutent

21 EEE +=

Dualité onde - corpuscule

Aspect ondulatoire Aspect corpusculaire

????

1

2

13/40

Louis de Broglie découvre queles électrons se comportent comme des ondes

1925

λλλλ

λλλλ

2

21

m2hE

λ= Relation entre la longueur d’onde et l’énergie

d’un électron

Énergie des électrons

14/40

La mécanique quantique et l’interprétation de Copenhague

- L’état d’une particule est définie par une fonction d’onde ψ

-L’espace des états est un espace vectoriel 21 ψψψ +=

(“la particule passe par les deux fentes en même temps”)

ψ ψψ-Le carré de la norme de (noté ) est la probabilité de trouver la particule dans l’état ψ

( ) 2

2121P ψψψψψ ++=

212211 2 ψψψψψψ Re++=

si 2 est fermé si 1 est fermé

Niels Bohr1923

15/40

La mécanique quantique n’est pas une occupation sans dangersExemple: Le chat de Schrödinger

mortchat1 =

vivantchat2 =

Compteurde photon

Capsule de cyanure

( )mortchatvivantchatchat2

1 +=

Erwin Schrödinger1930

16/40

Banded’énergies interdites

1930

Bloch, Seitz, Wigner décrivent la structure de bandes des solides

énergie

17/40

Un état vide dans la bande de valence est un trou

Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l’électron:C’est une quasi-particule de charge positive

Banded’énergies interdites

Bande de

valence

Bande de

conduction

énergie

=

Wolfgang Pauli

18/40

La transition optique interbande

Absorption de photons

Émissionde photons

Bande de valence

Bande de conduction

19/40

5.4

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.6 5.8 6.0

LATTICE CONSTANT IN A

ZnS

ZnSe

InAs

Cd0.5

CdTe

CdSeAlSb

GaSb

ZnTeCdS

AlAs

InSb

Mn0.5 TeZn0.5 Mn0.5 Se

AlP

GaP

Si

Ge

GaAs

InP

HgS HgSe HgTe

EN

ER

GY

GA

P A

T 4

.2 K

IN

eV

6.2 6.4 6.6˚

Gaps et couleurs

Infrarougeproche

Visible

UV

Infrarougelointain

20/40

Le dopage, la zone de charge d’espace et la jonction p/n

B- Si

Si

Si

SiSi

Si SiSi

δ+

Dopage p

P+ Si

Si

Si

SiSi

Si SiSi

Dopage n

Cham

p électrique

PSi

CB

IV VIII

Mendeleev

21/40

1930-1947

µm1≈

TRANSISTOR REX

Chronique d’un miracle annoncé …

22/40

Décembre 1947Bardeen, Shockley, Brattain

The famous lab book entree

23/40

Décembre 1947

Le premier transistor

1958

(Jack Kilby)

Le premier circuit intégré

2005

(Intel)

Circuit à 1 000 000 000 de transistors

24/40

L’EXPLOSION DE LA MICROELECTRONIQUE

25/40

LA DETECTION QUANTIQUE:

L’effet photovoltaïque

Les caméras CCD

Les cellules solaires

26/40

transition inter-sousbande

BC

PHOTO-DETECTION QUANTIQUE

photoémission internetransition interbande

BV

BC

27/40

n

p++

EFFET PHOTOVOLTAIQUE

28/40

Exemple 1: MATRICE CCD

Paquet d’électrons

photocréés

gV

Métal Oxide Silicium

Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µmNombre typique de pixel: 10 000 000Taille de matrice: 1 cm2

29/40

Exemple 2: Cellule solaire en silicium

Ensoleillement maximal : 1000 W/m2

Rendement quantique : 15 %

0 1 2 3 4 5eV

0

1́107

2́107

3́107

4́107

W�m̂ 2.µm

Spectre solaire

Rendement de conversion

dans Si

Courant maximal : 150 W/m2

30/40

LES EMETTEURS DE LUMIERE:

Le puit quantiqueDiodes électroluminescentesDiodes lasers

31/40

Ga

As

Enceinte �ultra-vide

Al

GaAs AlGaAs

GaAs

EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES

Le puits quantique (1)

TECHNOLOGIES DE L’ULTRA-VIDE

1970-1980

32/40

Le puits quantique (2)

1

2

AlGaAs AlGaAsGaAs

33/40

LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED)

n

p++

AlGaAsN

AlGaAsP

GaAs

LED : 1 électron → 1 photonsoit 1 Amp → 1 Watt

Ampoule : 1 Amp → 0,1 Watt

Émission spontanée

34/40

CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

Énergie des photons

Pu

issa

nce

ém

ise

GAP

• Large spectre émis

• Faisceau assez divergent

• Fréquence de modulation faible (≈100 MHz)

•Technologie planaire → faible coût

• Commandes à distance

(zappette, automobile,…)

• Panneau d’affichage, feux ….

• Réseaux locaux de télécom

• Révolution de l’éclairage

Caractéristiques Applications

Ampoule

35/40

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

1

2

3

4

5

6

7

ZnTe

CdSe

InP

AlAs

GaAs

InN

ZnSe

Si

GaPAlP

ZnS

GaNZnO

AlN

C

BN

Ban

de

inte

rdit

e à

0 K

(eV

)

Maille du cristal (Ang.)

UV

COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

36/40

LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE

MORALE DE CETTE HISTOIRE ????

Après la découverte de Nakamura

1974 : Découverte de l’électroluminescence de GaN dans le bleu1974- 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

Nakamura

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

Avant la découverte de Nakamura

37/40

Amplificationoptique

L’EMISSION STIMULEE

Absorption Émissionspontanée

Émissionstimulée

Albert Einstein1917

38/40

MiroirMiroir

Amplificateur optique

L’OSCILLATION LASER

Inte

nsité

de l’

onde

39/40

LE LASER A SEMICONDUCTEUR

n

p

John von Neuman1952

AlGaAsP

AlGaAsN

GaAs

General electric1968

40/40

LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR

Énergie des photons

• Spectre émis très pur

• Faisceau très fin

• Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz)

•Technologie non planaire → coût élevé

•Télécommunications

• Lecteurs de disques CD

• Pointeurs laser

•

Caractéristiques Applications

Pu

issa

nce

ém

ise λ≈

laser

LED

41/40

5.0 5.5 6.0 6.50

1

2

3

4

5

6

7

InAs

InP

AlAs

GaAs

InN

Si

GaP

AlPGaN

AlN

Ban

de

inte

rdit

e à

0 K

(eV

)

Maille du cristal (Ang.)

Gammes des diodes lasers

GaP/AlGaPRouge

Pointeurs

GaAs/AlGaAs0.8 – 1 µmLecteur CD

InP/InGaAs1.4 – 1.6 µm

Télécom.

GaN/AlGaNBleu-UVCD, DVD

42/40

Exemple d’applications: le lecteur de disque compact CD et DVD

Longueur d’onde 785 nm 405 nm

Capacité de stockage 0.15 GB/cm2 0.6 GB/ cm2

Encyclopédia Univ. 0.6 m2 0.15 m2

43/40

Exemple d’applications: les télécommunications optiques

Encyclopedia Universalis≈≈≈≈

1 000 GigaBit en 1/10 s sur 3000 km

4 µm !!!

Seule le laser permet de faire entrer la lumière dans un guide d’onde

44/40

LES FRONTIERES:

La nano-électroniqueLes téraHertzLes atto-secondes(10-18 s !!)Les ExaWatts (1018 Watt!)Les états intriqués et

la cryptographie quantique….

45/40

10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz

30 m 3 m 30 cm 3 cm 3 mm 300 µm 30 µm 3 µm 300 nm

HF VHF UHF P L S C X Ku K Ka W THz SWIRLWIR NIR UV

Radio et hyperfréquences Optique

4 eV40 neV 0.4 µeV 4 µeV 40 µeV 0.4 meV 4 meV 40 meV 0.4 eV

Une terra incognita: les térahertz

Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab)

Pea

u, ti

ssu

Intensité

distance≈≈≈≈ λ λ λ λ ≈≈≈≈ 1 mm

46/40

La science et la technologiesont intimement liées