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

I nternational C onference on N ano- M aterials and R enewable 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.

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

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Presentation Transcript

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

  3.  Métrology/Spectroscopy Longueur d’onde (µm) Absorption spectra of variousgases as a function of the wavelength Forces de raie (cm/molécules) CO, NO, CO2, SO2,… • Trace gasdetection Nombre d’onde (cm-1) • Contrôl of industrialprocéssés Faisceau laser Faisceau laser • Remotesensing 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-InstitutfürAngewandteFestkörperphysik Freiburg i. Br. (Germany), Lancaster (2005)

  4. 2 types of semiconductorlasers for MIR applications Inter-band lasers: AntimonidesIII-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 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: nearinfrarouge: 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

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

  6. Inter-band lasers: InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb λ ≤ 2.8µm InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb λ ≤ 3.2µm • Limitation on wavelength, due to photon energydependence on the band gap : 1. Chemicallimit 2. Constraint: Δa/a < 2% 3. Hétérostructureof type I • Functioninglimitéd by température due to effet Auger LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

  7. Lasers inter-subbandes: • Emittedwavelengthisdetermined by the quantum confinement Émission in mid- and far-infrarouge (2 µm≤ λ ≤ 100 µm) • One canworkwith type II hétérostructures no Auger effect • Unipolardevices • Structure composéd of severalidenticalpériods, allowing the emittance of several photons Veryhigh power LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

  8. Structure Cascade Quantique Laser (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 Injection zone E2 E2 E1 E1 Active zone 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 Cascade Quantique Laser (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. Constraint: Δa/a < 2% Zone active E1 E1 3. Large Ec LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

  10. 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. Verysmall effective mass g Z3222 (m*)-3/2[1] g: gain coefficient, Z32: élément of dipolarmatrix,τ2: life time of électron on levelE2 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) Wavelength(µm) Paramètre de maille (Å) Semi-conducteurs based on antimonides 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

  12. Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z WhyQuinaire 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 avoiddefects LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

  13. Well Well Barrièr Barrièr BC BC Well Well E1 E1 Barrièr Barrièr Ehh Ehh BV BV Elh Elh • Effect of the contraint on the energylevels: apuitsabarrière →expansion 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 • We have studiedfeasibility 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 quintenarythatpossèsesthreedegrées of flexibilityallows 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

  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

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