Chapitre 10. Lasers à semiconducteurs

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1 Chapitre 10 Lasers à semiconducteurs Principe de fonctionnement Laser «ruban» VECSELs (laser à émission par la surface) Lasers à cascade quantique Applications Science et génie des matériaux, Romuald Houdré /2007 1

2 Plan du cours 1/3 bases 1/3 transport 1/3 optique 1. Introduction - Caractéristiques physiques des semiconducteurs - Quels Matériaux pour quel type d applications 2. Propriétés électroniques des semiconducteurs - Structure de bandes - Statistiques d occupation des bandes - Propriétés de transport - Processus de recombinaison 3. Jonctions et interfaces - Jonctions métal/semi-conducteurs - Jonction p-n à l équilibre, Jonction p-n hors-équilibre 4. Composants électroniques - Transistors bipolaires - Transistors à effet de champ - Dispositifs quantiques - Nouveaux matériaux 5. Composants optoélectroniques - Détecteurs - Diodes électroluminescentes - Diodes lasers - Lasers à émission par la surface - Lasers à cascade quantique 2

3 Laser à semiconducteur: exemple d'application 3

4 Laser, introduction Résonateur optique Laser 2 éléments: Milieu actif avec du gain optique I milieu actif S Il existe des modes optiques de la cavité Ondes stationnaires 1- énergie, longueur d'onde particulière 2- profil spatial Amplification S/I = g > 1 Le gain g dépend de la longueur d'onde 4

5 Laser, introduction Mode optique: la lumière effectue de nombreux aller-retour en phase ce qui donne lieu à des interférences constructives m/2 cette condition n'est remplie que pour des longueur d'ondes particulières, discrètes m, m entier 5

6 Processus optiques dans les semiconducteurs Recombinaison, émission stimulée BC E (k ) Les taux d'émission stimulés et spontanés ne sont pas indépendants. Ih n1 h dn 2 dt dn 1 dt = B 12 n 2 I h = dn 1 dt = B 21 n 1 I h = dn 2 dt absorption stimulé dn 1 dt = An 1 = dn 2 dt spontané n2 A at B: coefficients d'einstein BV k Ils sont reliés par : B 12 = B 21 = B émission stimulée Processus d'amplification A B = 8 n 3 2 c 3 photons = 3D densité d'état n: indice 6

7 Laser, introduction Si le gain par aller-retour dépasse les pertes, l'énergie accumulée dans la cavité divergence L L'énergie optique stockée dans la cavité tend vers l'infini Dans un laser réel. des phénomènes non linéaires arrête cette divergence à une valeur finie (saturation du gain) et gar, stationnaire gar, seuil - pertes R R' m modes gar, seuil = pertes Gain gain AR Energie 7

8 Laser, introduction Dans le cas idéal le laser s'enclenche sur tous les modes qui satisfont gar > pertes Spectre Spectre Spectre Energie t=0 Energie t>0 Energie t stat. puis un effet de compétition entre modes fait que seul un unique mode subsiste après un temps assez long Dans la plupart des cas des effets non-linéaires de modulation du gain (spatiallement et spectralement) font que le laser est rarement monomode de lui-même Spectre d'émission laser multimode Spectre d'émission laser monomode 8

9 Schéma d'un laser semiconducteur Laser, introduction 9

10 Laser, introduction Loi de Bernard et Durrafourg pour la transparence Dire que le gain est > 1 signifie que Emission > Absorbtion Probabilité 1 e - dans la BC à Probabilité 1 trou X dans la BV à > Probabilité 1 e - dans la BV à X Probabilité 1 trou dans la BC à k0=kémission k0=kémission k0=kémission k0=kémission Soit: fc(k0) x (1-fv(k0)) > fv(k0) x (1-fc(k0)) Avec fc probabilité d'occupation d'un électron dans la bande de conduction fv probabilité d'occupation d'un électron dans la bande de valence 10

11 Laser, introduction Loi de Bernard et Durrafourg pour la transparence Avec EFc et EFv les pseudos-niveaux de Fermi f i (E) = 1+ e 1 EE Fi k B T i = c ou v Remarque: fh = 1-fv La condition fc(k0) x (1-fv(k0)) > fv(k0) x (1-fc(k0)) devient: fc(k0) > fv(k0) C'est à dire : 1+ e 1 E c (k 0 )E Fc k B T > 1+ e 1 E v (k 0 )E Fv k B T E Fc E Fv > E c (k 0 ) E v (k 0 ) E Fc E Fv > h Loi de Bernard et Durrafourg 11

12 La neutralité électrique s'écrit: Laser, introduction Ncfc = Nvfh = Nv(1-fc) f v =1 N C N V f c < f c Et donc: De même: f c > f h > N V N C + N V N C N C + N V Si Nc Nv, fc ou fv >0.5, on pompe "inutilement" trop une des bandes Quelque soit la dimension Nc = Nv <=> me = mh ce qui est rarement le cas Contrôle de la masse effective (c.a.d. la courbe de dispersion) avec: 1 La composition 2 Le confinement 3 Les contraintes 12

13 Courbes courant-lumière, L-I Laser, introduction Deux quantités importantes: 1 Courant de seuil Ith 2 Rendement quantique différentiel d = e P h I 13

14 Laser, introduction Seuil et rendement différentiel d'un laser semiconducteur R1 L R2 pertes Gain Recouvrement entre le mode optique et la zone active Au seuil le gain pour un aller-retour = pertes R 1 R 2 e 2L e 2g th L =1 g th = + 1 2L Ln( 1 R 1 R 2 ) Aperçu Exercice: montrer que le rendement différentiel vaut 1 d = e Ln( ) P h I = non radiatif R 1 R 2 radiatif + non radiatif 1 2L + Ln( ) R 1 R 2 14

15 Lasers semiconducteur Historique J th (A/cm 2 ) Year 15

16 Laser ruban, cavité Lasers semiconducteur vertical confinement: epitaxy cladding core active 16

17 Lasers semiconducteur Laser ruban Confinement latéral par l'indice: Gravure d'un ruban: Gravure + recroissance: 17

18 Laser ruban, zone active Lasers semiconducteur jonction p-n 18

19 Lasers semiconducteur Laser ruban 1 m x 3 m x 200 m 19

20 Lasers semiconducteur Les facettes sont généralement obtenues par clivage de la plaque 20

21 Laser à puits quantique Lasers semiconducteur BC n=3 Système bidimensionnel L= quelques nm n=2 n=1 Densité détats 3 nm BV n=1 n=2 n=3 n=4 Energie Densité détats en escalier Niveaux d'énergie quantifiés 21

22 Laser à puits quantique Lasers semiconducteur 3D: Beaucoup d'énergie est utilisée pour produire du gain à des longueurs d'ondes supérieures 2D: Le nombre d'états inutilement inversés est réduit, du fait de la forme en escalier de la densité détats. Le prix à payer: le gain sature 22

23 Lasers semiconducteur Laser à confinement séparé Puits quantique: Puits quantique + hétérostructure E g électron GaAs AlGaAs GaAs AlGaAs InGaAs électron n mode optique mode optique Mauvais confinement Bon confinement: Separate- Confinement Heterostructure, SCH 23

24 Laser monomode Lasers semiconducteur Techniques pour ne faire laser quun seul mode: Réduire le nombre de modes à lintérieur du spectre de gain Cavité courte VCSEL Introduire des pertes différentes pour les différents modes Lasers DBR, DFB 24

25 Lasers semiconducteur laser à émission par la surface mirroir 1 mirroir 2 La cavité Fabry-Perot est constituée de deux miroirs de Bragg (empilements de couches quart d onde) Peu de gain par AR Il faut une réflectivité élevée: R99% Ex. GaAs (n=3.6) / AlAs (n=3.0), 20 périodes R tot =99.7% 25

26 Lasers semiconducteur laser à émission par la surface 0.24 m 26

27 laser DFB et DBR Lasers semiconducteur Idée: Longue cavité, mais réflectivité R() n 1 n 2 R() 27

28 laser DFB et DBR Lasers semiconducteur Laser DBR-Distributed Bragg Reflector: n 1 n 2 R() mirroir zone active mirror Laser DFB-Distributed FeedBack: n 1 n 2 R() Spectre d'émission laser monomode Pas de distinction zone active-miroir Plus facile à réaliser 28

29 Laser à cascade quantique Lasers semiconducteur Lasers usuels, interbandes: Lasers intrabandes: E e2 E e1 E e2 E e1 E h1 E h2 E h1 E h2 Emission dans l'infra-rouge IR (3-150 μm) La longueur d'onde d'émission dépend de la structure du puits quantique, pas de la bande interdite Temps de vie du niveau supérieur très court (ps) Grand I th Comment vider l'état inférieur? 29

30 Laser à cascade quantique Lasers semiconducteur 30

31 Laser à cascade quantique Lasers semiconducteur "Cascade": Le même électron effectue plusieurs transitions optiques 31

32 Laser à cascade quantique Lasers semiconducteur Le trait clair correspond à une épaisseur de 4 Å Les structures réelles sont extrêmement complexes 32