Faculté des sciences

Optical pumping : a possible approach towards a SiGe Quantum Cascade Laser

Scheinert, Maxi ; Faist, Jérôme (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; Th.1979.

Le laser à cascade quantique a attiré un large intérêt en tant que source infrarouge depuis sa première réalisation en 1994 en utilisant l'AlInAs/InGaAs. Ses applications principales sont dans la spectroscopie pour la détection des gaz, ainsi que pour les télécommunications à travers l'atmosphère. Ce type de source optique diffère de manière fondamentale d'une diode laser... Plus

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    Résumé
    Le laser à cascade quantique a attiré un large intérêt en tant que source infrarouge depuis sa première réalisation en 1994 en utilisant l'AlInAs/InGaAs. Ses applications principales sont dans la spectroscopie pour la détection des gaz, ainsi que pour les télécommunications à travers l'atmosphère. Ce type de source optique diffère de manière fondamentale d'une diode laser semi-conducteur conventionnelle, car la transition radiative est basée sur des transitions inter-sous-bandes qui ont lieu entre des états confinés dans des puits quantiques. Comme la transition laser est maintenant indépendante de la nature de la bande interdite (directe ou indirecte), ce concept ouvre la voie à l'utilisation du silicium, ou d'autre matériaux comme le SiGe, compatibles avec le silicium, pour obtenir une source infrarouge accordable. Comme le Silicium est le matériau privilégié pour les dispositifs électroniques, un laser à cascade quantique basé sur le SiGe permettrait de rajouter la fonctionnalité optoélectronique au silicium. Le but de cette thèse est d'essayer d'utiliser lest transitions inter-sous-bandes pour réaliser un laser basé sur la technologie du silicium. L'électroluminescence de structures à cascade quantique basées sur le SiGe a été montrée en 2002. Cette thèse présente une étude complémentaire concernant les structures à cascade quantiques pompées électriquement. Sur la base de ces résultats, les problèmes soulevés par l'injection des forts courants nécessaires à l'injection électrique dans les structures à cascades basées sur le SiGe sont discutés. Un des problèmes principaux est l'absorption par les porteurs libres dans les régions fortement dopées utilisées pour l'injection du courant dans la structure. Une difficulté supplémentaire est la croissance précise des couches contraintes de SiGe qui puissent maintenir un bon alignement des niveaux électroniques, indispensable pour une injection efficaces dans les états désirés. Pour résoudre ces problèmes, une autre approche a été utilisée: le pompage optique, dans lequel les électrons sont amenés sur l'état excité après l'absorption d'un photon. Cette approche a plusieurs avantages. Premièrement une structure simple à trois niveaux est suffisante, qui peut être réalisée à l'aide d'un puit couplé ou d'un puit avec une marche de potentiel. Deuxièmement les couches qui oeuvrent de contacts électriques peuvent être évitées, ainsi que les pertes optiques induites. Finalement les exigences sur la précision de la croissance sont un peu moindres vu que l'injection peut être "accordée" par un changement de la longueur d'onde de pompage. La réalisation de cette approche a représenté la partie principale de cette thèse. L'expérience de pompage optique a été testé en utilisant un puit couplé AlInAs/GaInAs. Les résultats obtenus à l'aide de ces échantillons ont montré que le mécanisme de gain obtenu provenait d'un effet Raman électronique plutôt que d'une inversion de population. Une analyse théorique ainsi que des mesures en temps résolu ont été utilisées pour bien identifier le mécanisme d'opérations du laser. Pour réaliser la même approche dans les matériaux à base de SiGe, des systèmes à trois niveaux obtenus dans des puits couplés et dans un puit à marche de potentiel ont été étudiés. Des considérations théoriques, ainsi que des mesures d'absorption on été utilisées pour caractériser différents options conceptuelles. Le puit à marche de potentiel s'est révélé être l'approche la plus fructueuse à cause de la liberté de concept qu'il offrait ainsi que la présence d'un nombre moindre d'interfaces. Malheureusement, aucun effet laser n'a été observé. Des résultats en absorption prometteurs sont résumés dans un appendice.
    Summary
    Since the first Quantum Cascade Laser (QCL) was realized in 1994 in the AlInAs/InGaAs material system, it has attracted a wide interest as infrared light source. Main applications can be found in spectroscopy for gas-sensing, in the data transmission and telecommunication as free space optical data link as well as for infrared monitoring. This type of light source differs in fundamental ways from semiconductor diode laser, because the radiative transition is based on intersubband transitions which take place between confined states in quantum wells. As the lasing transition is independent from the nature of the band gap, it opens the possibility to a tuneable, infrared light source based on silicon and silicon compatible materials such as germanium. As silicon is the material of choice for electronic components, a SiGe based QCL would allow to extend the functionality of silicon into optoelectronics. The aim of this thesis is to provide possible opportunities to achieve lasing in silicon by using intersubband transitions. Electroluminescence from SiGe quantum cascade structures was demonstrated in 2002. The present thesis summarizes complementary research regarding electrically pumped SiGe QC structures. On the basis of these results, the problems arising from the electrical pumping at high current densities in SiGe QCs are discussed. The main problem can be found in the free carrier absorption in the strongly doped region providing the electrical contacts. Furthermore, the accurate growth of strained SiGe layers is challenging with respect to the alignment of levels. The latter one is of special importance for the proper injection of carriers. To overcome those problems, another approach was chosen: the optical pumping. Here, carriers are excited to the upper laser state by using an external laser source. This provides several advantages: (i) simple three level structures are sufficient which are either realized by double quantum wells or simple step QWs (ii) no need of doped contact layers and a lower doping in the active region which reduces free carrier losses; (iii) the growth conditions are less stringent as the injection into the upper laser state is provided by a tunable external source. The realization of this approach is presented in the main part of this thesis. The optical pumping set-up was tested using AlInAs/GaInAs double quantum well structures. From those samples, Raman lasing was obtained which is attributed to a lack of population inversion. Theoretical analysis and femto-second time-resolved measurements were employed to clarify the origin of this behavior. For approaching optical pumping in the SiGe material system, three level systems obtained by a double quantum well and a step quantum well were investigated. Theoretical considerations and absorption measurements were performed in order to characterize the designs. The step QW was concluded to be the most suitable design due to its design freedom and the few growth interfaces. Lasing, however, could not be achieved what is probably due to unsatisfactory material quality. Promising results on the latest sample batch are summarized in an appendix.