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

1. 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 Laboratoired’Étude des MatériauxOptoélectroniques etPolymères

2. SOMMAIRE Lasers à semi-conducteur de type II à Cascade Quantique qui reposent sur des transitions intrabandes de conduction INTRODUCTION • Introduction • Hétérostructures Quaternaires/Quinaires • 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

3.  Métrologie/Spectroscopie Longueur d’onde (µm) Forces de raie d’absorption de différentes espèces gazeuses en fonction de la longueur d’onde Forces de raie (cm/molécules) CO, NO, CO2, SO2,… • Détection de polluants atmosphériques Nombre d’onde (cm-1) • 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)

4. 2 types de lasers à semi-conducteur destinés aux applications dans le MIR Lasers inter-bandes: AntimoniuresIII-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 NIR MIR FIR Ultra-violet visible 0.1 0.4 0.7 2 3 4 5 8 10 12 100 Longueur d’onde (µm) 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

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

6. 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

7. 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  pas d’effet Auger • Dispositifs unipolaires • 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

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

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

10. 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 [1] Carlo Sirtori, Quantum Cascade Lasers: Overview of Basic principles of operation and state of the art, (2006) 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) J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994)

11. Énergie du gap (eV) Longueur d’onde (µm) Paramètre de maille (Å) Les semi-conducteurs à base d'Antimoniures 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

12. Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z Pourquoil’alliageQuinaire: 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

13. Puits Puits Barrière Barrière BC BC Puits Puits E1 E1 Barrière Barrière Ehh Ehh BV BV Elh Elh • Effet de la contrainte sur les niveaux d’énergie: apuits abarrière →détente apuits abarrière →compression LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

14. Hétérostructure à Cascade Quantique: Quaternaire/Quinaire Champ électrique V= -48kV/Cm Champ électrique V= 0kV/Cm Champ électrique V=0kV/Cm Mini-gap Mini-bande Énergie (eV) Énergie (eV) Énergie (eV) Zone active Zone active Zone active Axe de croissance (m) Axe de croissance (m) Axe de croissance (m) 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.

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

16. Ez = - 48 kV/Cm Énergie (eV) Axe de croissance (m) 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 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.

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

18. Variation de la longueur d’onde en fonction du champ électrique appliqué 1.88 ≤λ(µm) ≤11.72 LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

19. 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

20. Introduction • 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

21. Conclusion • 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