Gap direct vs gap indirect : émission, absorption, matériaux

Dans un semi-conducteur à gap direct, le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence se trouvent au même point de l’espace des moments (vecteur d’onde) : la recombinaison d’un électron et d’un trou peut émettre directement de la lumière. Dans un semi-conducteur à gap indirect, ils sont décalés, si bien qu’émettre ou absorber de la lumière exige la participation simultanée d’un phonon (vibration du réseau) qui apporte le moment manquant. C’est pourquoi les matériaux à gap direct comme GaAs, InP et GaN servent aux LED et aux lasers à semi-conducteur, tandis que Si et Ge, à gap indirect, conviennent mal à l’émission de lumière mais sont largement utilisés pour les photodétecteurs et les LSI.

Critère	Gap direct	Gap indirect
Structure de bandes	Le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence sont au même point de l’espace des moments	Le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence sont décalés dans l’espace des moments
Émission et absorption de lumière et phonons	Transition possible sans phonon	Un phonon qui apporte le moment manquant doit intervenir simultanément
Efficacité d’émission	Élevée. Forte probabilité de recombinaison radiative	Extrêmement faible. L’énergie se transforme surtout en chaleur par recombinaison non radiative
Durée de vie des porteurs minoritaires (ordre de grandeur)	Courte. De l’ordre de la ns	Longue. De la µs à la ms dans un silicium de haute qualité
Absorption près du bord de bande	Devient brusquement forte dès le seuil d’absorption (environ 10⁴ cm⁻¹ ou plus)	Faible près du seuil d’absorption, puis de plus en plus forte quand l’énergie augmente
Profondeur d’absorption de la lumière	Faible. Dans le GaAs, une épaisseur d’environ 1 à 2 µm absorbe l’essentiel de la lumière solaire	Grande. Dans le silicium, une lumière d’environ 1 µm de longueur d’onde pénètre sur plus de 100 µm
Utilisation dans les photodétecteurs	Une couche absorbante mince suffit : adapté aux récepteurs rapides	Il faut une couche absorbante plus épaisse ou une structure de confinement de la lumière
Matériaux typiques	GaAs (environ 1,42 eV), InP (environ 1,34 eV), GaN (environ 3,4 eV) et alliages comme InGaN	Si (environ 1,12 eV), Ge (environ 0,66 eV), SiC, GaP
Usages principaux	LED, lasers à semi-conducteur, cellules solaires à haut rendement, récepteurs pour les télécommunications	LSI, composants de puissance, photodiodes, capteurs d’image, cellules solaires

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Gap direct: Pour convertir l’électricité en lumière : couche émettrice des LED et des lasers à semi-conducteur, ainsi que récepteurs et cellules solaires à haut rendement qui doivent absorber fortement la lumière dans une couche mince.
Gap indirect: Lorsqu’aucune émission de lumière n’est nécessaire. Outre les LSI et les composants de puissance, le silicium sert à la détection de la lumière dans les photodiodes, les capteurs d’image et les cellules solaires.
Ensemble: En photonique sur silicium, les guides d’onde, les modulateurs et les récepteurs en Ge sont réalisés sur silicium, tandis que la source lumineuse est un laser à gap direct, par exemple à base d’InP, collé sur la puce ou associé sous forme de puce séparée.

Questions fréquentes

Comment le silicium, à gap indirect, peut-il absorber la lumière ?

Lors de l’absorption, la transition est possible si un phonon est absorbé ou émis pour apporter le moment manquant. Cette probabilité étant faible, l’absorption est plutôt faible, mais une épaisseur suffisante permet d’absorber assez de lumière. C’est pourquoi les photodiodes et les capteurs d’image en silicium détectent bien la lumière visible.

Comment les électrons et les trous se recombinent-ils dans un gap indirect ?

La probabilité de recombinaison radiative étant faible, ils perdent le plus souvent leur énergie sous forme de chaleur plutôt que de lumière, par exemple par recombinaison SRH via des niveaux liés aux défauts cristallins ou aux impuretés. La longue durée de vie des porteurs minoritaires dans le silicium s’explique aussi par la rareté de la recombinaison radiative.

Pourquoi le Ge, à gap indirect, est-il utilisé dans les récepteurs pour les télécommunications ?

Le Ge a un gap indirect, mais son gap direct d’environ 0,8 eV est proche de son gap indirect (environ 0,66 eV). Il absorbe donc fortement la lumière aux longueurs d’onde des télécommunications jusque vers 1,55 µm et, comme il se fait facilement croître sur silicium, il est utilisé dans les récepteurs de la photonique sur silicium.

Qu’est-ce qui détermine la longueur d’onde émise ?

Principalement la largeur de bande interdite de la couche émettrice : la longueur d’onde λ (nm) vaut environ 1 240 ÷ Eg (eV). Le GaAs, à environ 1,42 eV, émet dans le proche infrarouge vers 870 nm, et les matériaux à base de GaN émettent du bleu à l’ultraviolet. En modifiant la composition d’un alliage, on ajuste la bande interdite : dans l’InGaN, la longueur d’onde s’allonge quand la teneur en indium augmente.

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Quelle est la structure de bandes correcte de l'arséniure de gallium (GaAs) ?

AGap direct
BGap indirect
CAbsence de bande interdite

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Réponse : A. Gap direct

Le GaAs est un semi-conducteur à gap direct : le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent au même point de l'espace des moments, si bien que les électrons et les trous se recombinent sans l'aide de phonons et émettent efficacement de la lumière. Il est donc utilisé dans les LED infrarouges et les lasers à semi-conducteur (disques optiques, télécommunications, VCSEL de reconnaissance faciale). Le silicium est à gap indirect : la recombinaison fait intervenir des phonons et le rendement d'émission est extrêmement faible. Son absorption optique étant également forte, une couche mince suffit, d'où son emploi dans les cellules solaires à haut rendement.

Quel est le type de structure de bandes du silicium ?

AGap direct
BGap indirect
CType métallique sans bande interdite

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Réponse : B. Gap indirect

Le silicium est à gap indirect : le bas de la bande de conduction et le sommet de la bande de valence se situent à des positions différentes dans l'espace des quantités de mouvement (vecteurs d'onde). Pour qu'un électron et un trou se recombinent en émettant de la lumière, un phonon (vibration du réseau) doit intervenir simultanément pour compenser la quantité de mouvement, ce qui rend le rendement d'émission très faible. Les LED et lasers utilisent donc des matériaux à gap direct comme le GaAs, l'InP ou le GaN. L'absorption de la lumière pouvant se produire avec l'aide de phonons, le silicium reste utilisable pour les photodétecteurs.

Pourquoi la probabilité qu'un électron et un trou se recombinent en émettant de la lumière est-elle faible dans un semi-conducteur à gap indirect comme le silicium ?

AParce que les quantités de mouvement du bas de la bande de conduction et du sommet de la bande de valence diffèrent, et que la transition exige l'intervention d'un phonon
BParce que la mobilité des trous est inférieure à celle des électrons
CParce que la bande interdite est trop grande

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Réponse : A. Parce que les quantités de mouvement du bas de la bande de conduction et du sommet de la bande de valence diffèrent, et que la transition exige l'intervention d'un phonon

Dans un matériau à gap indirect, le bas de la bande de conduction et le sommet de la bande de valence sont éloignés dans l'espace des quantités de mouvement (vecteurs d'onde). Le photon ne transportant presque pas de quantité de mouvement, la transition exige l'intervention simultanée d'un phonon, et la probabilité de recombinaison radiative est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle d'un matériau à gap direct. Entre-temps, l'énergie se dissipe en chaleur par recombinaison SRH ou autre : le silicium ne convient donc pas aux émetteurs de lumière. C'est pourquoi la photonique sur silicium colle de l'InP ou un autre matériau pour la source lumineuse.

Questions d'entraînement sur Physique des semi-conducteurs

Termes clés expliqués

Gap direct: Structure de bandes où le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent au même vecteur d'onde. La recombinaison électron-trou émet efficacement de la lumière. Exemple : GaAs.
Bande interdite indirecte: Structure de bandes où le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence ne sont pas au même vecteur d'onde. Les transitions nécessitent un phonon, d'où une faible émission de lumière. Exemples : silicium, germanium.
Bande interdite (bandgap): Différence d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Environ 1,12 eV pour le silicium à température ambiante. Plus elle est grande, meilleure est la tenue aux hautes températures et aux hautes tensions.
GaAs (arséniure de gallium): Semi-conducteur composé III-V formé de gallium et d'arsenic. À bande interdite directe d'environ 1,42 eV et à haute mobilité électronique, il sert aux transistors haute fréquence, aux LED infrarouges et aux lasers.
Photodiode: Diode qui génère des charges (un courant) sous l'effet de la lumière. Elle sert d'élément photosensible dans les pixels des capteurs d'image.

Gap direct vs gap indirect : émission, absorption, matériaux

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Questions fréquentes

Comment le silicium, à gap indirect, peut-il absorber la lumière ?

Comment les électrons et les trous se recombinent-ils dans un gap indirect ?

Pourquoi le Ge, à gap indirect, est-il utilisé dans les récepteurs pour les télécommunications ?

Qu’est-ce qui détermine la longueur d’onde émise ?

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Quelle est la structure de bandes correcte de l'arséniure de gallium (GaAs) ?

Quel est le type de structure de bandes du silicium ?

Pourquoi la probabilité qu'un électron et un trou se recombinent en émettant de la lumière est-elle faible dans un semi-conducteur à gap indirect comme le silicium ?

Termes clés expliqués

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