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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 0.1 0.4 0.7 2 3 4 5 8 10 12 100 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 32 2 2 (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. 3486 (1998) J. Devenson, O. Cathabard, R. Teissier, and A. N. Baranov., Applied Physics Letters, 91, 251102, (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 0.90. 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) = 0.022 m 0 E3E3 E2E2 E1E1 λ (µm) = f(E 32 ) = L z : largeur du puits (de lordre du nanomètre 10 -9 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 = 0.488 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 0.90. 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 = -0.003 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= 11.72 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 18 1.88 λ(µm) 11.72 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: 3.10 17 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 = 0.488 eV Δa/a = -0.003 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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