Conception, fabrication et étude des structures à cascade interbande pour des VCSELs émettant dans le moyen infrarouge.

Design, fabrication and investigation of Interband Cascade structures for mid-IR VCSELs

• Auteur / Autrice : Daniel Andrés Díaz thomas
• Direction : Laurent Cerutti, Alexeï Baranov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 08/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Cerutti, Alexeï Baranov, Sukhdeep S. Dhillon, Sophie Bouchoule, Guilhem Almuneau, Christophe Levallois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sukhdeep S. Dhillon, Sophie Bouchoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement infrarouge

Nanotechnologie

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Semiconducteurs

Mots clés libres

Semi-Conducteurs

Vcsel

Nanotechnologie

Moyen-Infrarouge

Semiconductor

Vcsel

Nanotechnology

Mid-Infrared

Résumé

Les diodes lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) sont particulièrement bien adaptés à la spectroscopie d’absorption laser accordable en raison de leurs caractéristiques intrinsèques. En effet, un émission monofréquence à faible seuils produisant un faisceau de sortie circulaire à faible divergence est approprié au développement de systèmes compacts et à faible consommation d'énergie pour la spectroscopie en phase gazeuse. Toutefois, dans la gamme 3-4 μm, qui contient des fortes bandes d'absorption de nombreuses espèces, seuls un VCSEL fonctionnant à température ambiante (RT) en continue (CW) a été démontré. En vue de la démonstration d'un VCSEL fonctionnant en CW au-dessus de la température ambiante, nous proposons une nouvelle alternative. Cette approche est basée sur la conception d'une région active à cascade interband (IC), un schéma de confinement latéral à l'oxyde d'arséniure, une technologie de miroir hybride et un contact intracavité.Pour assurer une émission efficace dans la gamme 3-4 μm, la région active est basée sur une structure QW antimoniure IC de type II ''W''. Les principales caractéristiques des lasers antimoniures QW, telles que la longueur d'onde et le seuil d'émission, sont fortement influencées par la température de croissance des couches situées au-dessus de la région active. En utilisant des conditions de croissance optimisées, nous avons réussi à fabriquer des ICL émettant à 3,3 μm et fonctionnant en CW jusqu'à 80°C, ce qui confirme le potentiel de la région active développée.Comme l'épaisseur des DBR augmente avec la longueur d'onde, nous avons utilisé une configuration VCSEL hybride avec un DBR semi-conducteur AlAsSb/GaSb dans la partie inférieure du dispositif et un DBR diélectrique ZnS/Ge dans la partie supérieure. Une autre contrainte dans la conception du VCSEL est la résistance électrique élevée du DBR AlAsSb/GaSb qui entraîne la surchauffe du dispositif. Pour réduire les pertes ohmiques, nous avons utilisé un système d'injection intracavité. Ensuite, pour assurer un confinement électro-optique latéral efficace, nous proposons d'utiliser une ouverture d'oxyde de la même manière que les VCSELs du proche infrarouge. Cette approche est basée sur la croissance métamorphique et l'oxydation thermique sélective d'une hétérostructure Al(Ga)As sur une demi-VCSEL à base de GaSb. Cette architecture présente plusieurs avantages, et en particulier la possibilité de suivre le processus d'oxydation contrôlé par une caméra infrarouge.Finalement, plusieurs structures émettant par la surfaces comme les IC-LEDs, RC-LEDs et VCSELs ont été présentées, validant l'assemblage des différentes parties précédemment étudiées.

Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are particularly well suited for Tunable Diode Laser Spectroscopy due to their intrinsic characteristics. Indeed, the low threshold single frequency emission producing a circular low divergence output beam is beneficial for the development of compact and low power consumption systems for gas spectroscopy. However, in the 3-4 μm range, which encompasses strong absorption bands of many species, only one VCSEL operating at room temperature (RT) in continuous wave mode (CW) have been reported so far. Towards the demonstration a VCSEL operating in the CW regime above RT, we propose a new alternative. This approach is based on Interband Cascade (IC) design for the active region, an arsenide oxide lateral confinement schema, a hybrid-mirror technology and on an intracavity contact.To provide efficient emission in the 3-4 μm range, the active region is based on a Sb-based IC type-II “W” QW structure. Principal characteristics of Sb-based QW lasers, such as the emission wavelength and threshold, are strongly affected by the growth temperature of the layers located above the active region. Using the optimized growth conditions, we succeeded to fabricate ICLs emitting at 3.3 μm and operating in the CW regime up to 80°C, which confirms the potential of the developed active region.Since the DBRs thickness scales with the wavelength, we employed a hybrid VCSEL configuration with a semiconductor AlAsSb/GaSb DBR in the bottom part of the device and a dielectric ZnS/Ge DBR on the top. Another issue in the VCSEL design is the high electrical resistance of the AlAsSb/GaSb DBR resulting in the overheating of the device. To reduce the ohmic losses we employed an intracavity injection scheme. Afterwards, to ensure an efficient lateral electro-optical confinement, we propose to use an oxide-aperture similarly as short infrared VCSELs. This approach is based on the metamorphic growth and the selective thermal oxidation of an Al(Ga)As heterostructure on top of a GaSb-based half-VCSEL. This architecture presents several advantages, and in particular the use of the well-controlled Al(Ga)As oxidation process.Finally, several vertical emitting structures as IC-LEDs, RC-LEDs and VCSELs were presented validating the assembly of the different parts previously studied.