Optique des semi-conducteurs
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appelé niveau de Fermi, E, . Pour l’essentiel, on peut retenir que E, se situera aux environs de
la BC dans un matériau dopé par des donneurs (de type n). et de la bande de valence s‘il est
dopé par des accepteurs (de type p). Il n’est jamais inutile, même pour un opticien, de
comparer le dopage de son matériau, ou ce qu’il peut en connaître, aux densités de
photoporteurs créés par l’illumination.
Dans un matériau pur, intrinsèque, E, sera situé dans le gap, équilibrant les densités
d’électrons et de trous, en tenant compte des densités d’états différentes. Mais cette dernière
situation est moins courante que celle des matériaux “semi-isolants”, où ont été introduits plus
ou moins volontairement des centres profonds, qui fournissent une densité suffisante de
niveaux isolés dans le gap pour interdire la conduction. En effet, mis à part le silicium, dont la
technologie est très bien contrôlée, le dopa e des semi-conducteurs courants comme GaAs ne
se contrôle bien que dans les gammes 10’ cm à 1019cm‘3. Quant aux plus exotiques, il faut
être prudent et modeste. Dans le cas de couches minces (-1 pm) épitaxiées sur un substrat
nécessairement beaucoup plus épais (500 pm), c‘est dans la couche mince qu’a lieu l’effet
physique intéressant pour la recherche fondamentale (effet Hall quantique) ou pour les
applications (transistor). Il est donc impératif d’assurer que le courant ne passe pas dans le
substrat. C‘est une des servitudes de la technologie.
Une autre de ces servitudes, que les opticiens ont parfois tendance à oublier, est
l’existence dune surface assez mal contrôlée elle aussi. À la surface d’un semi-conducteur, les
états électroniques sont modifiés profondément : liaisons pendantes, éventuelles reconstructions (ces liaisons pendantes se réarrangent), adsorption d’éléments étrangers (l’oxygène
est un bon candidat), tout cela nous permet tout juste de soupçonner l’immense champ
d’intérêt de la physique des surfaces [8]. Mais tout cela peut dépendre des conditions de
préparation, de conservation de l’échantillon. .. en bref, c’est assez incontrôlable, et la
passivation des surfaces de semi-conducteurs est un sujet de recherche en soi.
f -
1.2 Un exemple de dispositif électronique : le MES-FET GaAs
Plutôt que d’explorer toutes les configurations possibles, ce qui irait bien au-delà des
ambitions de cette présentation, nous pouvons nous intéresser au fonctionnement d’un
dispositif électrique parmi d’autres, qui nous donnera un aperçu des possibilités offertes par la
microélectronique, nous permettra de voir concrètement comment utiliser la notion de niveau
de Fermi et introduira une mise en garde aux opticiens.
Il s’agit d’un transistor à effet de champ de type “électrode métalliquehemiconducteur ”, plus connu sous son acronyme anglais MES-FET (Cf. fig. 1.3 a). Il s’agira de
G A S , un matériau effectivement utilisé en microélectronique (beaucoup moins que le
silicium), mais que nous rencontrerons souvent dans ce cours d’optique. La couche active est
épaisse, par exemple de 1 pm, dopée n, typiquement à 10’7cm-3. Pour qu’elle soit
effectivement la seule couche active électriquement, nous avons déjà vu qu’il faut qu’elle soit
déposée sur un substrat semi-isolant ou, dans le cas présent, de type p. Le niveau de Fermi
s’égalisant entre couche active et substrat, la bande de conduction remontera vers l’intérieur
de la structure, formant barrière au passage des électrons (Cf. fig. 1.3 b).
Que se passe t-il maintenant à la surface? Dans GaAs, il se trouve le plus souvent que la
surface comprend de très nombreux états situés à peu près au milieu du gap, disons Vs en
dessous de la bande de conduction ; par très nombreux, il faut entendre une densité surfacique
suffisante pour fixer le niveau de Fermi à cette énergie, quel que soit l’apport (réaliste)
d’électrons dû au dopage. I1 en résulte que la couche active doit fournir des électrons pour
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appelé niveau de Fermi, E, . Pour l’essentiel, on peut retenir que E, se situera aux environs de
la BC dans un matériau dopé par des donneurs (de type n). et de la bande de valence s‘il est
dopé par des accepteurs (de type p). Il n’est jamais inutile, même pour un opticien, de
comparer le dopage de son matériau, ou ce qu’il peut en connaître, aux densités de
photoporteurs créés par l’illumination.
Dans un matériau pur, intrinsèque, E, sera situé dans le gap, équilibrant les densités
d’électrons et de trous, en tenant compte des densités d’états différentes. Mais cette dernière
situation est moins courante que celle des matériaux “semi-isolants”, où ont été introduits plus
ou moins volontairement des centres profonds, qui fournissent une densité suffisante de
niveaux isolés dans le gap pour interdire la conduction. En effet, mis à part le silicium, dont la
technologie est très bien contrôlée, le dopa e des semi-conducteurs courants comme GaAs ne
se contrôle bien que dans les gammes 10’ cm à 1019cm‘3. Quant aux plus exotiques, il faut
être prudent et modeste. Dans le cas de couches minces (-1 pm) épitaxiées sur un substrat
nécessairement beaucoup plus épais (500 pm), c‘est dans la couche mince qu’a lieu l’effet
physique intéressant pour la recherche fondamentale (effet Hall quantique) ou pour les
applications (transistor). Il est donc impératif d’assurer que le courant ne passe pas dans le
substrat. C‘est une des servitudes de la technologie.
Une autre de ces servitudes, que les opticiens ont parfois tendance à oublier, est
l’existence dune surface assez mal contrôlée elle aussi. À la surface d’un semi-conducteur, les
états électroniques sont modifiés profondément : liaisons pendantes, éventuelles reconstructions (ces liaisons pendantes se réarrangent), adsorption d’éléments étrangers (l’oxygène
est un bon candidat), tout cela nous permet tout juste de soupçonner l’immense champ
d’intérêt de la physique des surfaces [8]. Mais tout cela peut dépendre des conditions de
préparation, de conservation de l’échantillon. .. en bref, c’est assez incontrôlable, et la
passivation des surfaces de semi-conducteurs est un sujet de recherche en soi.
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1.2 Un exemple de dispositif électronique : le MES-FET GaAs
Plutôt que d’explorer toutes les configurations possibles, ce qui irait bien au-delà des
ambitions de cette présentation, nous pouvons nous intéresser au fonctionnement d’un
dispositif électrique parmi d’autres, qui nous donnera un aperçu des possibilités offertes par la
microélectronique, nous permettra de voir concrètement comment utiliser la notion de niveau
de Fermi et introduira une mise en garde aux opticiens.
Il s’agit d’un transistor à effet de champ de type “électrode métalliquehemiconducteur ”, plus connu sous son acronyme anglais MES-FET (Cf. fig. 1.3 a). Il s’agira de
G A S , un matériau effectivement utilisé en microélectronique (beaucoup moins que le
silicium), mais que nous rencontrerons souvent dans ce cours d’optique. La couche active est
épaisse, par exemple de 1 pm, dopée n, typiquement à 10’7cm-3. Pour qu’elle soit
effectivement la seule couche active électriquement, nous avons déjà vu qu’il faut qu’elle soit
déposée sur un substrat semi-isolant ou, dans le cas présent, de type p. Le niveau de Fermi
s’égalisant entre couche active et substrat, la bande de conduction remontera vers l’intérieur
de la structure, formant barrière au passage des électrons (Cf. fig. 1.3 b).
Que se passe t-il maintenant à la surface? Dans GaAs, il se trouve le plus souvent que la
surface comprend de très nombreux états situés à peu près au milieu du gap, disons Vs en
dessous de la bande de conduction ; par très nombreux, il faut entendre une densité surfacique
suffisante pour fixer le niveau de Fermi à cette énergie, quel que soit l’apport (réaliste)
d’électrons dû au dopage. I1 en résulte que la couche active doit fournir des électrons pour