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

Moyen infrarouge (MIR): SOMMAIRE INTRODUCTION Introduction Hétérostructures Quaternaires/Quinaires Lasers à semi-conducteur de type II à Cascade Quantique qui reposent sur des transitions intrabandes de conduction Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire Moyen infrarouge (MIR): 2m    10m Conclusion Grand champ d’applications LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Forces de raie (cm/molécules)  Métrologie/Spectroscopie Nombre d’onde (cm-1) Forces de raie (cm/molécules) Longueur d’onde (µm) Forces de raie d’absorption de différentes espèces gazeuses en fonction de la longueur d’onde CO, NO, CO2, SO2,… Détection de polluants atmosphériques Contrôle de procédés industriels  Faisceau laser Faisceau laser Métrologie à distance Source laser Photo détecteur Besoin de sources fiables, sélectives et d’une grande sensibilité dans le moyen infrarouge (MIR) Christian Mann, Q.Yang, F. Fuchs, C. Manz, W. Bronner, and J. Wagner, Fraunhofer-Institut für Angewaandte Festkörperphysik Freiburg i. Br. (Germany), Lancaster (2005)

Lasers intra-bandes à Cascade Quantique (QCL): 2 types de lasers à semi-conducteur destinés aux applications dans le MIR Lasers inter-bandes: Antimoniures III-V: InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb: λ ≤ 2.8µm; InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb: λ ≤ 3.2µm Lasers intra-bandes à Cascade Quantique (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: proche infrarouge: 0.78µm ≤ λ ≤ 2µm MIR: moyen infrarouge: 2µm ≤ λ ≤ 10µm FIR: Infrarouge lointain: 10µm ≤ λ ≤ 100µm LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Lasers inter-bandes Lasers intra-bandes hv hv Dopé n Ez e2 Niveaux d’électrons Transition inter-bande dans une Hétérostructure de type I. Niveau de trous Dopé p Dopé n Ez e1 e2 Période "a" hv eEza hv hv hv hv Axe de croissance Transitions intra-bandes dans une structure à Cascade Quantique LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Lasers inter-bandes: InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb λ ≤ 2.8µm InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb λ ≤ 3.2µm Limitation en longueur d’onde, car l’énergie du photon dépend du gap : 1. Limite chimique 2. La contrainte: Δa/a < 2% 3. Hétérostructure de type I Fonctionnement limité par la température à cause de l’effet Auger LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Lasers intra-bandes: Longueur d’onde d’émission est déterminée par le confinement quantique   Émission dans l’infrarouge moyen et lointain (2µm≤ λ ≤ 100µm) On peut travailler avec des hétérostructures de type II  Dispositifs unipolaires pas d’effet Auger Structure composée de plusieurs périodes identiques, permettant à un électron d'émettre plusieurs photons Puissance très élevée LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

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

Intérêt des Antimoniures dans les QCL Filière InP: QCL à base de AlInAs/GaInAs/InP λ = 4.2µm Filière GaAs: QCL à base de GaAs/Al0.33Ga0.67As λ = 8µm Filière Antimoniure: QCL à base de InAs/AlSb λ = 2.75 µm 1. Un grand Ec 2. Une très faible masse effective g  Z322 2  (m*)-3/2[1] g: coefficient du gain, Z32: l’élément de matrice dipolaire et τ2: duée de vie de l’électron dans le niveau 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)

Les semi-conducteurs à base d'Antimoniures Énergie du gap (eV) Longueur d’onde (µm) Paramètre de maille (Å) Largeur de bande interdite en fonction du paramètre de maille 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

Pourquoi l’alliage Quinaire: InxGayAl1-x-yAszSb1-z? Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z Pourquoi l’alliage Quinaire: 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 de flexibilité Améliorer la contrainte, le confinement et la durée de vie des porteurs Hétérostructure: InxGa1-xAsySb1-y /InxGayAl1-x-yAszSb1-z Pour réaliser de bons échantillons, on doit se limiter à une contrainte ≤ 2% On doit trouver les bonnes compositions d’alliage pour éviter les défauts LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Effet de la contrainte sur les niveaux d’énergie: BV BC Puits Barrière BV BC Puits Barrière Puits Barrière Puits Barrière E1 E1 Ehh Elh Ehh Elh apuits  abarrière → compression apuits  abarrière → détente 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 Dans ce travail, nous avons étudié la faisabilité d’un laser à Cascade Quantique à base d’Antimoniure du système InGaAsSb/InGaAlAsSb Hétérostructures Quaternaire/Quinaire Les systèmes à base des composés III-Sb sont les mieux adaptés à la conception des Lasers à Cascade Quantique Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire L’utilisation du quinaire qui possède trois degrés de flexibilité nous permet d’améliorer les effets de contraintes, le confinement, la durée de vie des porteurs et par conséquent le gain du laser. 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