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N. BOUKLI-HACENE, K. ZITOUNI, A. KADRI L aboratoire d É tude des M atériaux O ptoélectroniques et P olymères Départment of Physics Faculty of Sciences.

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1 N. BOUKLI-HACENE, K. ZITOUNI, A. KADRI L aboratoire d É tude des M atériaux O ptoélectroniques et P olymères Départment of Physics Faculty of Sciences University of ORAN ALGERIA International Conference on Nano-Materials and Renewable Energies ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

2 Introduction Conclusion Quaternary/Quinary hétérostructures Optimisation of the structure of quantum cascade lasers based on quaternary/Quinary hétérostructures 2 Intersub conduction band type II quantum cascade semi-conductor Mid-infrared (MIR): 2 m 10 m Many applications LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

3 3 Remote sensing Contrôl of industrial procéssés Source laser Photo détecteur Faisceau laser Nombre donde (cm -1 ) Forces de raie (cm/molécules) Longueur donde (µm) Trace gas detection Christian Mann, Q.Yang, F. Fuchs, C. Manz, W. Bronner, and J. Wagner, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik Freiburg i. Br. (Germany), Lancaster (2005) CO, NO, CO 2, SO 2,… Métrology/Spectroscopy Absorption spectra of various gases as a function of the wave length Faisceau laser Need of sensitive and selective sources in the mid-infrared (MIR)

4 Longueur donde (µm) visible 4 Inter-subband Quantum Cascade Lasers (QCL): GaInAs/AlInAs/InP ; GaAs/AlGaAs et InAs/AlSb 3.5 μm λ 100 μm Inter-band lasers: Antimonides III-V: InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb: λ 2.8µm; InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb: λ 3.2µm 2 types of semiconductor lasers for MIR applications Ultra-violet NIR: near infrarouge: 0.78µm λ 2µm MIR: mid-infrarouge: 2µm λ 10µm FIR: Far infrarouge: 10µm λ 100µm NIR MIR FIR LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

5 eE z a Inter-bandes Inter-subband Electron levels Inter-band transition in a type I hétérostructure. Hole levels p-doped n-doped hv Growth axis hv Transitions inter-subband in a QCL EzEz e1e1 e2e2 Périod "a" hv 5 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

6 Inter-band lasers: Limitation on wave length, due to photon energy dependence on the band gap : Functioning limitéd by température due to effet Auger InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb 1. Chemical limit 2. Constraint: Δa/a < 2% 3. Hétérostructure of type I λ 2.8µm λ 3.2µm 6 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

7 Lasers inter-subbandes: Emitted wave length is determined by the quantum confinement Unipolar devices One can work with type II hétérostructures Very high power Émission in mid- and far-infrarouge (2 µm λ 100 µm) Structure composéd of several identical périods, allowing the emittance of several photons no Auger effect 7 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

8 Structure Cascade Quantique Laser (QCL): Zone dinjection Active zone Mini-bande Mini-gap Mini-bande E3E3 E2E2 E1E1 E3E3 E2E2 E1E1 Mini-gap Mini-bande Zone dinjection Zone active E2E2 E1E1 E3E3 Mini-bande Mini-gap Mini-bande Mini-gap Mini-bande Injection zone Zone dinjection E2E2 E1E1 E3E3 Zone active J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994) 8

9 E2E2 E1E1 E3E3 Zone active Mini-bande Mini-gap Mini-bande Mini-gap Mini-bande Zone dinjection E2E2 E1E1 E3E3 Zone active Structure Cascade Quantique Laser (QCL): 1.Maîtrise technologique 3. Large Ec 2. Constraint: Δa/a < 2% 9 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

10 Intérêt des Antimoniures dans les QCL Filière InP: QCL based on AlInAs/GaInAs/InP Filière GaAs: QCL based on GaAs/Al 0.33 Ga 0.67 As Filière Antimoniure: QCL based on InAs/AlSb λ = 4.2µm λ = 8µm λ = 2.75 µm 1. Large Ec 2. Very small effective mass g Z (m*) -3/2 [1] J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994) C. Sirtori, P. Kruck, S. Barbieri, P. Collot, J. Nagle, M. Beck, J. Faist, U. Oesterle, Appl. Phys.Lett., 73, p (1998) J. Devenson, O. Cathabard, R. Teissier, and A. N. Baranov., Applied Physics Letters, 91, , (2007) [1] Carlo Sirtori, Quantum Cascade Lasers: Overview of Basic principles of operation and state of the art, (2006) 10 g: gain coefficient, Z 32 : élément of dipolar matrix, τ 2 : life time of électron on level E 2

11 11 Énergie du gap (eV) Wave length (µm) Paramètre de maille (Å) Size of forbidden band gap as a function of lattice constant Ternaires: In x Ga 1-x Sb, Al x Ga 1-x Sb, Al x In 1-x Sb Quaternaires: In x Ga 1-x As y Sb 1-y, Al x Ga 1-x As y Sb 1-y Quinaire: In x Ga y Al 1-x-y As z Sb 1-z LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

12 Why Quinaire alloy: In x Ga y Al 1-x-y As z Sb 1-z ? Un alliage Quinaire du type A x B y C 1-x-y D z E 1-z est constitué de 5 atomes: 3 atomes de la colonne III (A, B et C) et 2 atomes de la colonne V (D et E) du tableau périodique. Variation de lénergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé In x Ga y Al 1-x-y As z Sb 1-z Hétérostructure: In x Ga 1-x As y Sb 1-y /In x Ga y Al 1-x-y As z Sb 1-z To réalise good compounds, one has a contraint 2% One has to find good alloy compositions to avoid defects Improve the constraint, confinement and life time of charge carriers 3 degrés of freedom 12 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

13 Effect of the contraint on the energy levels: BV BC Well Barrièr E hh E lh E1E1 a puits a barrière compression a puits a barrière expansion BV BC Well Barrièr E hh E lh E1E1 Well Barrièr Well Barrièr 13 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

14 Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In 0.30 Ga 0.70 As 0.05 Sb 0.95 / In 0.25 Ga 0.15 Al 0.60 As 0.10 Sb Lépaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière dinjection: 3.4/ 3.2/ 2/ 2.8/ 2.3/2.3/2.5/2.3/2.5/2.1/4.8/1.5/3/3.9/2.7/4/3.4/3.2/2/2.8/2.3/2.3/2.5. Les barrières sont en gras et les couches dopées sont soulignées. Hétérostructure à Cascade Quantique: Quaternaire/Quinaire Axe de croissance (m) Énergie (eV) Champ électrique V=0kV/Cm Zone active Mini-bande Mini-gap Axe de croissance (m) Énergie (eV) Champ électrique V= 0kV/Cm Zone active Énergie (eV) Axe de croissance (m) Champ électrique V= -48kV/Cm Zone active 14

15 Introduction Conclusion Hétérostructures Quaternaire/Quinaire Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base dhétérostructure: Quaternaire/Quinaire 1. Choix du puits In x Ga 1-x As y Sb 1-y In 0.30 Ga 0.70 As 0.05 Sb 0.95 m e *(puits) = m 0 E3E3 E2E2 E1E1 λ (µm) = f(E 32 ) = L z : largeur du puits (de lordre du nanomètre nm) m*: masse effective de lalliage quaternaire In x Ga 1-x As y Sb 1-y Transition optique Transition avec un phonon Zone active dun QCL 15 LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

16 2. Choix de la barrière In x Ga y Al 1-x-y As z Sb 1-z 16 Lalliage Quinaire: In 0.25 Ga 0.15 Al 0.60 As 0.10 Sb 0.90 ΔEc = eV Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In 0.30 Ga 0.70 As 0.05 Sb 0.95 / In 0.25 Ga 0.15 Al 0.60 As 0.10 Sb Lépaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière dinjection: 3.4/ 3.2/ 2/ 2.8/ 2.3/2.3/2.5/2.3/2.5/2.1/4.8/1.5/3/3.9/2.7/4/3.4/3.2/2/2.8/2.3/2.3/2.5. Les barrières sont en gras et les couches dopées sont soulignées. Δa/a = Énergie (eV) Axe de croissance (m) E z = - 48 kV/Cm Zone active

17 Effet du champ électrique sur la longueur donde 17 Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= -60kV/Cm λ= 1,88 µm Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= 0kV/Cm λ= µm Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= -48kV/Cm λ= 6,93 µm

18 Variation de la longueur donde en fonction du champ électrique appliqué λ(µm) LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

19 Gains max 19 Variation du gain max en fonction de la densité de seuil pour différentes températures dun QCL In 0.30 Ga 0.70 As 0.05 Sb 0.95 / In 0.25 Ga 0.15 Al 0.60 As 0.10 Sb 0.90 émettant à 6.93µm Variation de la densité de courant de seuil en fonction de linverse de la longueur de la cavité et pour une température T=77°K Densité de courant de seuil

20 Introduction Conclusion Hétérostructures Quaternaire/Quinaire Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base dhétérostructure: Quaternaire/Quinaire 20 We have studied feasibility of antimonide Quantum Cascade Laser InGaAsSb/InGaAlAsSb Usage of quintenary that possèses three degrées of flexibility allows us to improve the constraint effets and confinement, the life time of carriers and subsequently laser gain. III-Sb based compounds are best adapted for realisation of Quantum Cascade Laser LEMOP, Université dOran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

21 21 L application de la notion de QCL aux hétérostructures à base quaternaire/quinaire permet daméliorer les performances et le fonctionnement des lasers émettant le moyen infrarouge: Couvre le domaine de longueur donde: 2 m 10 m Densité de seuil: Cm -3 Densité de courant de seuil de lordre de 1.5kA/Cm 2 Puits: In 0.30 Ga 0.70 As 0.05 Sb 0.95 Barrière: In 0.25 Ga 0.15 Al 0.60 As 0.10 Sb 0.90 ΔEc = eV Δa/a = Nous avons optimisé la structure de manière à avoir la bonne géométrie, les bonnes compositions du puits et de barrière pour avoir un bon confinement de porteurs et une faible contrainte. Ceci impose:


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