Laboratoire d’Étude des Matériaux Optoélectroniques et Polymères International Conference on Nano-Materials and Renewable Energies ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010 Départment of Physics Faculty of Sciences University of ORAN ALGERIA L.E.M.O.P. Antimony-based Quantum Cascade Laser for Pollution detection and monitoring N. BOUKLI-HACENE, K. ZITOUNI, A. KADRI Laboratoire d’Étude des Matériaux Optoélectroniques et Polymères

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

 Métrology/Spectroscopy Nombre d’onde (cm-1) Forces de raie (cm/molécules) Longueur d’onde (µm) Absorption spectra of various gases as a function of the wave length CO, NO, CO2, SO2,… Trace gas detection Contrôl of industrial procéssés  Faisceau laser Faisceau laser Remote sensing Source laser Photo détecteur Need of sensitive and selective sources in the mid-infrared (MIR) Christian Mann, Q.Yang, F. Fuchs, C. Manz, W. Bronner, and J. Wagner, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik Freiburg i. Br. (Germany), Lancaster (2005)

2 types of semiconductor lasers for MIR applications Inter-band lasers: Antimonides III-V: InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb: λ ≤ 2.8µm; InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb: λ ≤ 3.2µm Inter-subband Quantum Cascade Lasers (QCL): GaInAs/AlInAs/InP ; GaAs/AlGaAs et InAs/AlSb 3.5 μm≤ λ ≤100 μm 0.1 0.4 0.7 2 3 4 5 8 10 12 100 Longueur d’onde (µm) visible Ultra-violet NIR MIR FIR NIR: near infrarouge: 0.78µm ≤ λ ≤ 2µm MIR: mid-infrarouge: 2µm ≤ λ ≤ 10µm FIR: Far infrarouge: 10µm ≤ λ ≤ 100µm LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Inter-bandes Inter-subband hv hv n-doped Ez e2 Electron levels hv eEza Inter-band transition in a type I hétérostructure. Hole levels p-doped n-doped Ez e1 e2 Périod "a" hv eEza hv hv hv hv Growth axis Transitions inter-subband in a QCL LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

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

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

Structure Cascade Quantique Laser (QCL): Mini-bande Mini-gap Mini-bande Mini-gap E3 E2 E1 Mini-bande Mini-gap E3 Mini-bande Mini-gap E3 E2 E1 Injection zone E2 E1 E3 Active zone Zone d’injection Zone active E2 Zone d’injection E1 Zone active Zone d’injection Zone active J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994)

Structure Cascade Quantique Laser (QCL): Mini-bande Mini-gap Mini-bande Mini-gap E3 E2 Zone d’injection E1 E3 Zone active E2 Zone d’injection Maîtrise technologique E1 2. Constraint: Δa/a < 2% Zone active 3. Large Ec LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010 9

Intérêt des Antimoniures dans les QCL Filière InP: QCL based on AlInAs/GaInAs/InP λ = 4.2µm Filière GaAs: QCL based on GaAs/Al0.33Ga0.67As λ = 8µm Filière Antimoniure: QCL based on InAs/AlSb λ = 2.75 µm 1. Large Ec 2. Very small effective mass g  Z322 2  (m*)-3/2[1] g: gain coefficient, Z32: élément of dipolar matrix, τ2: life time of électron on level E2 10 C. Sirtori, P. Kruck, S. Barbieri, P. Collot, J. Nagle, M. Beck, J. Faist, U. Oesterle, Appl. Phys.Lett., 73, p. 3486 (1998) [1] Carlo Sirtori, Quantum Cascade Lasers: Overview of Basic principles of operation and state of the art, (2006) J. Devenson, O. Cathabard, R. Teissier, and A. N. Baranov., Applied Physics Letters, 91, 251102, (2007) J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994)

Semi-conducteurs based on antimonides Énergie du gap (eV) Wave length (µm) Paramètre de maille (Å) Size of forbidden band gap as a function of lattice constant Ternaires: InxGa1-xSb, AlxGa1-xSb, AlxIn1-xSb Quaternaires: InxGa1-xAsySb1-y, AlxGa1-xAsySb1-y Quinaire: InxGayAl1-x-yAszSb1-z LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Why Quinaire alloy: InxGayAl1-x-yAszSb1-z? Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z Why Quinaire alloy: InxGayAl1-x-yAszSb1-z? Un alliage Quinaire du type AxByC1-x-yDzE1-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. 3 degrés of freedom Improve the constraint, confinement and life time of charge carriers Hétérostructure: InxGa1-xAsySb1-y /InxGayAl1-x-yAszSb1-z To réalise good compounds, one has a contraint ≤ 2% One has to find good alloy compositions to avoid defects LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Effect of the contraint on the energy levels: BV BC Well Barrièr BV BC Well Barrièr Well Barrièr Well Barrièr E1 E1 Ehh Elh Ehh Elh apuits  abarrière → compression apuits  abarrière → expansion LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Hétérostructure à Cascade Quantique: Quaternaire/Quinaire Axe de croissance (m) Énergie (eV) Champ électrique V=0kV/Cm 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 Zone active Mini-bande Mini-gap Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 / In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90. L’épaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière d’injection: 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.

Optimisation de la structure Laser à cascade quantique à Introduction 1. Choix du puits InxGa1-xAsySb1-y E3 E2 E1 λ (µm) = f(E32) = Hétérostructures Quaternaire/Quinaire Transition optique Transition avec un phonon Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire Optimisation de la structure Laser à cascade quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire Lz: largeur du puits (de l’ordre du nanomètre 10-9 nm) Zone active d’un QCL m*: masse effective de l’alliage quaternaire InxGa1-xAsySb1-y Conclusion In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 me*(puits) = 0.022 m0 LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

2. Choix de la barrière InxGayAl1-x-yAszSb1-z ΔEc = 0.488 eV L’alliage Quinaire: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90 Δa/a = -0.003 Énergie (eV) Axe de croissance (m) Ez = - 48 kV/Cm Zone active Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 / In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90. L’épaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière d’injection: 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.

Effet du champ électrique sur la longueur d’onde Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= 0kV/Cm λ= 11.72 µm Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= -60kV/Cm λ= 1,88 µm Énergie (eV) Axe de croissance (m) Zone active V= -48kV/Cm λ= 6,93 µm

Variation de la longueur d’onde en fonction du champ électrique appliqué LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Densité de courant de seuil Gains max Variation de la densité de courant de seuil en fonction de l’inverse de la longueur de la cavité et pour une température T=77°K Variation du gain max en fonction de la densité de seuil pour différentes températures d’un QCL In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 / In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90 émettant à 6.93µm

Conclusion Introduction Hétérostructures Quaternaire/Quinaire We have studied feasibility of antimonide Quantum Cascade Laser InGaAsSb/InGaAlAsSb Hétérostructures Quaternaire/Quinaire III-Sb based compounds are best adapted for realisation of Quantum Cascade Laser Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire 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. Conclusion Conclusion LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Conclusion Puits: In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 ΔEc = 0.488 eV 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: Puits: In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 ΔEc = 0.488 eV Δa/a = -0.003 Barrière: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90 L’application de la notion de QCL aux hétérostructures à base quaternaire/quinaire permet d’améliorer les performances et le fonctionnement des lasers émettant le moyen infrarouge: Couvre le domaine de longueur d’onde: 2m    10m Densité de seuil: 3.1017 Cm-3 Densité de courant de seuil de l’ordre de 1.5kA/Cm2