Lasers à cavité vertical émettant par la surface dans l’ultraviolet profond à base des matériaux BAlGaN

BAlGaN-based vertical cavity surface-emitting lasers operating in deep UV region

• Auteur / Autrice : Xin Li
• Direction : Abdallah Ougazzaden, Frédéric Genty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeorgiaTech-CNRS (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Gil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Bouchoule, Jean-Paul Salvestrini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Julien, Ferdinand Scholz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés semiconducteurs

Rayonnement ultraviolet

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Mots clés libres

VCSEL

DBR

DUV

MOVPE

III-Nitrures

VCSEL

DBR

DUV

MOVPE

III nitrides

Résumé

Le contexte de cette thèse se situe dans les nombreuses applications de sources UV tels que la stérilisation et la purification. Comparés aux sources conventionnelles, les dispositifs à base de semiconducteur présentent la fiabilité, l'efficacité élevée, et les effets minimaux sur l'environnement. Sur l'aspect des matériaux, III-Nitrures (BAlGaInN) sont les candidats prometteurs car ils sont stables chimiquement et physiquement, et ils présentent les bandes interdites couvrant le spectre visible à l'UV profond. Sur l'aspect des structures, le laser à cavité vertical émettant par la surface (VCSEL) est l'une des configurations les plus attrayantes, et il offre des avantages tels que le seuil bas, le haut rendement, la possibilité d'intégration des réseaux 2D et les tests au niveau de la plaquette. Néanmoins, il n'existe aucun VCSEL fonctionnant en dessous de 300 nm. Des défis importants concernent l'efficacité de MQWs et la réflectivité de réflecteur de Bragg distribué (DBR), qui sont limitées par la qualité des matériaux, les propriétés optiques des MQWs, le contraste faible d'indice de réfraction pour les couches dans les DBRs à des longueurs d'onde courtes, etc. L'objectif de cette thèse est de répondre aux défis relevés auparavant en étudiant la croissance de BAlGaN par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE), en développant les MQWs d'AlGaN avec l'augmentation des émissions par la surface, et en explorant les DBRs en BAlN/AlGaN, en vue du développement de VCSEL à pompage optique fonctionnant dans DUV

The context of this thesis falls in the wide applications of UV light sources such as sterilization and purification. Compared to the conventional UV sources (excimer lasers, Nd: YAG lasers or mercury lamps), the semiconductor devices have advantages in reliability, compactness, high efficiency and minimum environmental effects. On the material aspect, III-nitrides (BAlGaInN) are promising candidates since they are chemically and physically stable with direct bandgaps covering from visible to DUV spectrum. On the structure aspect, vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is one of the most attractive configurations considering its low threshold, high efficiency, and the possibility for the integration of 2D arrays and the wafer-level tests. It constitutes a multiple-quantum-well (MQW) active region sandwiched by a top and a bottom distributed Bragg reflector (DBR). However, no VCSELs can operate below 300 nm until now. The major challenges lie in the two main blocks: the emission efficiency of MQWs and the reflectivity of DBRs, which are limited by the quality of the substrates and epitaxial layers, optical-polarization properties of the MQW emission, small refractive index contrast of the layers used for DBRs at short wavelengths, etc. The objective of this thesis is to address this need by studying metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE) growth of BAlGaN materials, developing AlGaN MQWs with enhanced surface emission and exploring BAlN/AlGaN DBRs, for the future development of optically-pumped VCSELs operating below 300 nm