Contribution à l'étude de l'injection électrique dans les VCSEL de grandes dimensions

Contribution to the study of electrical injection in broad-area VCSELs

• Auteur / Autrice : Eric Havard
• Direction : Thierry Camps, Véronique Bardinal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optoélectronique, technologie et composants de l'électronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Lasers à semi-conducteur

Solitons

Propriétés électriques

Diodes laser

Mots clés libres

Semiconducteurs III-V

Laser à cavité verticale émettant par la surface

Modélisation électrique

ITO (Indium Tin Oxide)

Injection localisée

Solitons de cavité

Génération de puissance

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la modélisation, la fabrication et la caractérisation de Lasers à Cavité Verticale Emettant par la Surface (VCSEL) de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité, pour lesquels ces lasers permettraient une manipulation électrique plus souple de ces ondes stationnaires. Pour cela, il est nécessaire de disposer de structures à large zone d'émission uniforme (~100µm). Or, l'injection par électrode annulaire dans les VCSEL émettant par la surface entraîne une inhomogénéité rédhibitoire. Cette étude vise donc à proposer et évaluer des solutions technologiques innovantes pour atteindre une uniformité optimale dans ces dispositifs. Après une introduction dressant un état de l'art des solutions rapportées dans la littérature, nous présentons les travaux que nous avons menés sur la modélisation électrique des lasers pour évaluer les approches génériques de complexité croissante suivantes : l'ajout d'une couche d'étalement du courant en surface (électrode transparente en ITO) ; l'association de cette dernière à une barrière de potentiel (diode Zener) et la discrétisation de l'injection par création de zones localisées de conduction. L'optimisation des électrodes en ITO déposées sur GaAs, l'évaluation de l'apport d'une diode Zener ainsi que la mesure du contraste d'injection obtenu par gravure localisée en surface du composant sont ensuite détaillées. Suite à cette mise au point technologique, l'insertion des solutions que nous avons finalement retenues (gravures localisées et ITO) pour la réalisation de VCSEL est ensuite décrite. Enfin, les caractérisations électro-optiques des composants réalisés sont présentées; elles ont déjà permis d'obtenir des dispositifs de forme allongée émettant 50mW en continu à l'ambiante. Ces premiers résultats prometteurs ont cependant mis en évidence la nécessité d'améliorer encore les propriétés de l'interface ITO/GaAs. Ces solutions pourront alors être mises à profit pour l'application visée mais également pour la génération de puissance ou encore la réalisation de VCSEL à cavité externe (VECSEL).

This work deals with the simulation, the fabrication and the characterization of broad-area Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) for the control of cavity solitons in view of application to optical data processing. For this application, the use of large-area devices (~100µm) is mandatory, thus leading to stringent requirements on the emission uniformity at a large scale. Besides, for an easier electrical control of these stationary waves, top-emitting devices could be advantageous. However these devices are known to exhibit an annular emission due to their ring-shaped electrodes. Consequently, new devices with an optimized electrical injection scheme have to be developed. This study aims to propose and to evaluate novel technological approaches for this purpose. First, we present a state-of-the-art of solutions published on electrical confinement in VCSEL. Secondly we describe the simulation results we have obtained on the generic solutions that we propose to implement: the addition of a spreading layer at the top of the device (using a Transparent Conductive Electrode: ITO), the combination of a spreading layer with a horizontal potential barrier (Zener junction), and finally a multipoint injection approach (localized injection). The technological optimization of ITO electrodes, the evaluation of the Zener diode benefit and the measurement of the injection contrast obtained by localized etching of the cap layer are then presented. Following these preliminary studies, the implementation of the solutions retained (localized etching and ITO) to broad-area VCSEL fabrication is described. Finally, the electro-optical characterizations are presented: band-shaped devices emitting 50mW in a continuous-wave operation at room temperature have been obtained. These promising preliminary results have however pointed out the needs for further improvement the ITO/GaAs interface properties. They nevertheless demonstrate that these solutions could be exploited for the aimed application as well as for power generation or external cavity laser (VECSEL) realization.