Lasers à cascade quantique moyen infrarouge à base d'InAs

Les lasers à cascade quantique (QCLs) sont des sources lasers à semiconducteur compactes et capables de délivrer une forte puissance optique sur une large gamme de longueur d’onde dans l’infrarouge. Les QCLs de la filière InP sont les plus établis. Le système de matériaux InAs/AlSb est une solution alternative encore peu développée mais qui, en vertu de ses propriétés, présente des atouts incontestables pour la réalisation de lasers à cascade quantique. Le travail de cette thèse a apporté une meilleure connaissance du système InAs/AlSb et de ses possibilités pour les QCLs, à la fois sur un plan théorique, expérimental et technologique.

Nous avons œuvré à l’amélioration des performances des lasers à cascade quantique sur ce système de matériaux, notamment en cherchant à augmenter la température maximum de fonctionnement dans les courtes longueurs d’onde et le lointain infrarouge. Un modèle de transport électronique a été développé. Ce modèle permet de reproduire de manière relativement précise les résultats expérimentaux. Il est un outil utile pour l’amélioration des designs de zone active et, en conséquence, des performances des lasers.
La finalité de ces lasers est leur utilisation pour des applications telles que la spectroscopie moléculaire par absorption. Nous avons donc travaillé à les rendre plus adaptés aux besoins de celles-ci, à savoir que leur émission soit monomode, ce que nous avons rendu possible grâce au développement d’une technologie DFB à haut rendement et très reproductible, et qu’ils puissent fonctionner en régime continu, ce qui a été accompli, autour de 9 µm de longueur d’onde d’émission, jusqu’à une température de 255 K en s’appuyant sur un modèle prédictif basé sur une approche analytique.
Afin d’atteindre le fonctionnement en régime continu en dessous de 4 µm de longueur d’onde, nous nous sommes penchés sur l’utilisation d’un substrat alternatif en GaSb, qui nous permet de réaliser des claddings conciliant un faible indice de réfaction et de faibles pertes optiques. Nous avons à cette occasion fait la démonstration du premier QCL fonctionnant sur ce substrat, et ce jusqu’à température ambiante à 3,3 µm de longueur d’onde.

Pierre Laffaille

Université Montpellier II
IES - UMR CNRS 5214 / Institut d'Electronique du Sud
Groupe "Composants à nanostructures pour moyen infra-rouge" (NANOMIR)

mercredi 11/12 à 10H00 au grand amphithéâtre du campus St Priest

Réalisation et caractérisation électro-optique de photodétecteurs infrarouges à superréseaux InAs/GaSb

 Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation de photodétecteurs infrarouges à superréseaux (SR), constitués d’hétérostructures de semiconducteurs InAs/GaSb. Ces superréseaux InAs/GaSb sont considérés, depuis le milieu des années 2000, comme des structures pouvant satisfaire les besoins de la prochaine génération de photodétecteurs infrarouges (IR). L'objectif de mon travail, financé par la DGA et en collaboration étroite avec l'ONERA, était de contribuer à une meilleure compréhension de la physique du composant et d'améliorer les performances de cette nouvelle filière de détecteur IR. Cette étude s'effectua sur des monoélements (pixels), éléments de base du système imageur IR. En comparant trois structures InAs/GaSb différentes, conçus pour la même gamme spectrale de détection dans le MWIR (3 µm-5 µm) mais de composition et d'épaisseur différentes (riche en GaSb, symétrique et riche en InAs), nous avons exploité la flexibilité offerte par cette technologie de détecteurs. Cette approche nous a permis de mettre en évidence la dépendance des performances avec la proportion en GaSb. Les résultats obtenus sur les structures asymétriques plus riches en InAs sont à l'état de l'art pour des photodiodes : densité de courant d'obscurité de 5x 10^-8 A/cm² à 77K pour une polarisation inverse de 50 mV. En parallèle, nous avons réalisé, en collaboration avec le CEA-LETI, la première matrice à SR française. Ces résultats ont contribué à une meilleure compréhension des détecteurs à superréseaux et esquissent des voies d'optimisation prometteuses.

Soutenance : le jeudi 12 décembre 2013 à 10h30 dans la salle de séminaire du bâtiment 21, 4^ème étage du Campus Triolet.

Jury de thèse :

Study of terahertz phenomena using GaN devices

The thesis named "Study of terahertz phenomena using GaN devices" was based on the development of different experimental setups in order to use them to test Gallium Nitride (GaN) components in emission, transmission and detection modes in the electromagnetic range of terahertz (THz).

An emission at 3 THz with a tunable frequency depending on the electric field applied to the GaN quantum well, a variable coefficient of transmission function of the voltage applied to the various GaN devices and a heterodyne radiation detection with a carrier frequency of 0.3 THz and a modulation that can reach up  40 GHz have been demonstrated experimentally.
In addition, each type of experimental results has been explained theoretically using analytical models developed in collaboration with international team.

Soutenance le vendredi 6 décembre 2013 à 14h30 dans la salle de conférence de l’Institut Européen des Membranes

Alexandre PENOT

Doctorant équipe TéHO, Institut d'Electronique du Sud (IES)
Université Montpellier 2 - CC 13002
Place Eugène Bataillon 34095 MONTPELLIER Cedex 05
tel. +33 (0)467143717