Nouvelles sources lasers à super réseau InAs/GaSb/InSb pour l'émission moyen infrarouge

New Mid-Infrared Laser source with super-lattice InAs/GaSb/InSb for mid-infrared emission

• Auteur / Autrice : Alban Gassenq
• Direction : Eric Tournié, Laurent Cerutti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 20/07/2010
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Grandjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Tournié, Laurent Cerutti, Nicolas Grandjean, Michel Garcia, Philippe Christol, Alexei Baranov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bertru, Guilhem Almuneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie)

Rayonnement infrarouge -- Technique

Semiconducteurs

Lasers en physique

Mots clés libres

Laser

Semi-conducteur

Super réseau

InAs/GaSb/InSb

Antimoniure

Laser

Semi-conductor

Superlattice

InAs/GaSb/InSb

Antimonide

Résumé

Ce travail de thèse porte sur le développement et l'étude de diodes laser moyen infrarouge dont la zone active est constituée d'un super réseau (SR) à très courte période InAs/GaSb/InSb élaboré par épitaxie par jets moléculaires. La gamme de longueur d'onde d'émission visée est 3 - 3,5 µm qui est très intéressante pour des applications d'analyse de gaz par spectroscopie optique mais pour laquelle il n'y a encore aucun composant performant. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés optoélectroniques du SR InAs/GaSb/InSb. La structure de bandes a été modélisée dans une approche k-p. L'interface sans atome commun InAs/GaSb est simulée arbitrairement par une monocouche de InAsxSb1-x dont la composition varie avec les conditions de croissance et donc avec l'interface réelle. Un bon accord est obtenu entre le gap effectif calculé et l'énergie des spectres de photoluminescence. Une attention particulière a été portée à l'impact de l'insertion contrôlée d'InSb dans le SR. Le raccordement de bandes du SR avec le guide d'onde, capital pour fabriquer un laser, a aussi été étudié. Un premier dessin de zone active a été proposé pour atteindre l'objectif. Par la suite, les performances intrinsèques des diodes lasers à SR ont été calculées par l'intermédiaire de la modélisation du gain du SR. L'effet laser avec une densité de courant de seuil proche de 0,5 kA/cm² est théoriquement possible. Les lasers à SR InAs/GaSb/InSb ont alors été étudiés expérimentalement. Nous avons fait varier de nombreux paramètres : composition et épaisseur du SR, du guide d'onde et des couches de confinement, procédé technologique? Les résultats expérimentaux ont montré des comportements proches des modélisations effectuées. L'effet laser à la température ambiante a été obtenu avec une densité de courant de seuil de l'effet laser de 2 kA/cm² à 3,2 µm et de 1,8 kA/cm² à 3,1 µm. Des perspectives d'optimisation des composants sont proposées en conclusion.

This work reports the development and study of infra-red laser diodes with InAs/GaSb/InSb short-period super lattice (SL) active region grown by molecular beam epitaxy. The target wavelength range of emission is 3 - 3.5 µm which is very interesting for gas application analysis by optical spectroscopy. There is no efficient component in this range. Firstly, we have studied the optoelectronic properties of the InAs/GaSb/InSb SL. The band structure was modelled with the k-p approach. The non-common atom InAs/GaSb interface is simulated by an arbitrary InAsxSb1-x monolayer whose composition depends with the growth conditions. A good agreement is obtained between the calculated effective gap and the energy of the photoluminescence spectra. A special attention was focus on the impact of InSb insertion in the SL. The SL band offset with the waveguide, capital to obtain high laser performance, was also studied. A first design of active zone was proposed to achieve the objective. Then, the intrinsic performances of SL lasers diode were calculated via modelling of the SL gain. Laser operation with a threshold current density close to 0.5kA/cm² is theorically possible. Lasers based on InAs/GaSb/InSb SL were then experimentally investigated. We studied several parameters: composition and thickness of SL, waveguide and cladding, technology process? The experimental results showed behaviours close to modelling. Laser operation was obtained at room temperature with a threshold current density of 2kA/cm² at 3.2µm and 1.8kA/cm² at 3.1µm. Prospects for device optimization are proposed in conclusion.