n. boukli-hacene, k. zitouni, a. kadri l aboratoire d É tude des m atériaux o ptoélectroniques et...

N. BOUKLI-HACENE, K. ZITOUNI, A. KADRI

Laboratoire d’Étude des Matériaux Optoélectroniques et Polymères

Départment of PhysicsFaculty of Sciences

University of ORAN ALGERIA

International Conference on Nano-Materials and Renewable Energies ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

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):2m 10m

Many applications

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

3

• Remote sensing

• Contrôl of industrial procéssés

Source laser

Photodétecteur

Faisceau laser

Nombre d’onde (cm-1)

For

ces

de r

aie

(cm

/mol

écul

es) Longueur d’onde (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, CO2, SO2,…

Métrology/Spectroscopy

Absorption spectra of various gases as a function of the wave length

Faisc

eau

lase

r

Need of sensitive and selective sources in the mid-infrared (MIR)

0.1 0.4 0.7 2 3 4 5 8 10 12 100

Longueur d’onde (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


eEza

Inter-bandes Inter-subband

Electron levels

Inter-band transition in a type I hétérostructure.

Hole levels

p-doped

n-doped

hv

Growth axis

hv

hv

Transitions inter-subband in a QCL

Ez

e1

e2

Périod "a"

hv

5

hv


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

6LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

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


Structure Cascade Quantique Laser (QCL):

Zone d’injection

Active zone

Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

E3

E2

E1

E3

E2

E1 Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

Zone d’injection

Zone active

E2

E1

E3

Zone active

Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

Injection zone

Zone d’injection

E2

E1

E3

Zone active

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994) 8

E2

E1

E3

Zone active

Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

Mini-bande

Mini-gap

Mini-bande

Zone d’injection

Zone d’injection

E2

E1

E3

Zone active

Structure Cascade Quantique Laser (QCL):

1. Maîtrise technologique

3. Large Ec

2. Constraint: Δa/a < 2%


Intérêt des Antimoniures dans les QCL

Filière InP: QCL based on AlInAs/GaInAs/InP

Filière GaAs: QCL based on GaAs/Al0.33Ga0.67As

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 Z322 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, Z32: élément of dipolar matrix, τ2: life time of électron on level E2

11

Éne

rgie

du

gap

(eV

)

Wav

e le

ngth

(µ

m)

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


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.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

T=300°K

Composition z en Arsenic

InxGa

yAl

1-x-yAs

zSb

1-z x=0.20, y=0.07 x=0.30, y=0.05 x=0.30, y=0.30 x=0.02, y=0.50

Ene

rgie

(eV

)

Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z

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

Improve the constraint, confinement and life time of charge carriers

3 degrés of freedom


Effect of the contraint on the energy levels:

BV

BC

WellBarrièr

Ehh

Elh

E1

apuits abarrière → compression apuits abarrière → expansionBV

BC

WellBarrièr

EhhElh

E1Well

Barrièr

Well

Barrièr


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.

Hétérostructure à Cascade Quantique:Quaternaire/Quinaire

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Axe de croissance (m)

Éne

rgie

(eV

)

Champ électrique V=0kV/Cm

Zone active

Mini-bande

Mini-gap

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


Éne

rgie

(e

V)

Champ électrique V= 0kV/Cm

Zone active

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Éne

rgie

(eV

)


Champ électrique V= -48kV/Cm

Zone active

14

Introduction

Conclusion

Hétérostructures Quaternaire/Quinaire

Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire

1. Choix du puits InxGa1-xAsySb1-y

In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 me*(puits) = 0.022 m0

*mL2

5)z(E

z

22

32

E3

E2E1

λ (µm) = f(E32) = 32E

24.1

Lz: largeur du puits (de l’ordre du nanomètre 10-9 nm)

m*: masse effective de l’alliage quaternaire InxGa1-xAsySb1-y

Transition optique

Transition avec un phonon

Zone active d’un QCL


2. Choix de la barrière InxGayAl1-x-yAszSb1-z

16

L’alliage Quinaire: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90

ΔEc = 0.488 eV

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.

Δa/a = -0.003É

nerg

ie (

eV)


0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Ez = - 48 kV/Cm

Zone active

Effet du champ électrique sur la longueur d’onde

17

Éne

rgie

(eV

)

Axe de croissance (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Zone active

V= -60kV/Cm λ= 1,88 µm

Éne

rgie

(eV

)


x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Zone active

V= 0kV/Cm λ= 11.72 µm

Éne

rgie

(eV

)


x 10-8

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Zone active

V= -48kV/Cm λ= 6,93 µm

Variation de la longueur d’onde en fonction du champ électrique appliqué

-60 -50 -40 -30 -20 -10 01

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

In0.30

Ga0.70

As0.05

Sb0.95

/ In0.25

Ga0.15

Al0.60

As0.10

Sb0.90

Long

ueur

d'o

nde

(µm

)

Potentiel (kV/cm)

18

1.88 ≤ λ(µm) ≤11.72


Gains max

19

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 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

Densité de courant de seuil

Introduction

Conclusion

Hétérostructures Quaternaire/Quinaire

Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: 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


21

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: 2m 10m

Densité de seuil: 3.1017 Cm-3

Densité de courant de seuil de l’ordre de 1.5kA/Cm2

Puits: In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95

Barrière: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90

ΔEc = 0.488 eVΔa/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:

n. boukli-hacene, k. zitouni, a. kadri l aboratoire d É tude des m atériaux o ptoélectroniques et...

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