Etude et mise au point des procédés technologiques pour la fabrication de VCSELs moyen infrarouge pompés électriquement à base de GaSb

Study and development of technological steps on GaSb-based materials for realization of electrically-pumped VCSELs emitting in the mid-infrared

• Auteur / Autrice : Arnaud Ducanchez
• Direction : Frédéric Genty, Laurent Cerutti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antimoniure d'indium

Lasers à infrarouges

Mots clés libres

Vcsel

Pompage électrique

Antimoniure

Moyen infrarouge

Jonction tunnel

Résumé

Cette thèse porte sur la réalisation de lasers à cavité verticale pompés électriquement et émettant par la surface (EP-VCSELs) à base d'antimoniures pour une émission dans le domaine du moyen infrarouge (>2µm). Cette gamme de longueurs d'onde offre de nombreuses applications, dont l'analyse de gaz à haute résolution. Les VCSELs sont particulièrement bien adaptés pour cette application. L'objectif de ce travail était de développer ce type de composants. Dans la première partie de cette étude, nous avons montré la nécessité de développer une jonction tunnel de type InAsSb/GaSb pour s'affranchir des miroirs dopés P, hautement résistifs et présentant des pertes optiques élevées. Son intégration dans une structure VCSEL monolithique a permis d'améliorer considérablement les propriétés générales du composant, ce qui s'est traduit par la première démonstration de l'effet laser à 2,3 µm en régime à température ambiante. À partir de ce résultat, nous avons obtenu également l'effet laser à 2,52 µm et à 2,63 µm en régime quasi-continu à température ambiante qui sont des records en termes de longueurs d'onde. La deuxième partie du travail s'est focalisée sur l'amélioration des propriétés de ces VCSELs, avec la mise au point d'une technique de sous gravure sélective de la jonction tunnel pour améliorer le confinement électrique. Des premières caractérisations ont montré une baisse significative du seuil laser. Enfin, d'autres procédés technologiques comme la réalisation de structure hybride ou le retrait du substrat ont pu être mis au point, ce qui permettra à terme, d'améliorer les caractéristiques électro-optiques de ces VCSELs

This thesis, realized within the framework of NEMIS European project (New Mid-Infrared Sources for Photonic Sensors), deals with the study and development of technological steps on GaSb-based materials for conception of electrically-pumped VCSELs emitting in the mid-infrared wavelength range (<2µm). VCSEL exhibits specifics properties well adapted for gas detection. Nevertheless, for realization of compact spectroscopy system, VCSELs have to be electrically driven. While optically-pumped Sb-based VCSELs present mature and reliable devices, they are far less developed in electrical configuration. The first part of this work is devoted to the development of InAsSb/ GaSb tunnel junction (TJ) to prevent use of p-doped Braggs mirrors which present both high resistivity and optical losses. The insertion of TJ into monolithic VCSEL has significantly improved the electrical characteristics, allowing continuous-wave operation at room-temperature (RT) of a 2. 3 µm VCSELs up to 293 K. From this result, it was demonstrated VCSELs operation at 2. 52 µm and 2. 63 µm in pulsed regime at RT. The second part of this work is focused on development of new electrical confinement method with the TJ selective etching aperture in order to improve the properties of long wavelength VCSELs. First characterizations exhibited a reduction of laser threshold. At last, other technological process like hybrid structure or substrate removal has been adjusted also to improve electro-optical characteristics