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République Algérienne Démocratique et PopulaireMinistère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
________
UNIVERSITE D’ORAN
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PHYSIQUE______
M E M O I R E
Présenté par Mademoiselle
AYAT Maha
Pour obtenir
LE DIPLOME DE MAGISTER
Spécialité : PHYSIQUE
Option : Micro-Opto-Electronique_______
Intitulé :
Soutenu le … Janvier 2009 devant le Jury composé de MM :
A. HAMOU Professeur, Université d’Oran, PrésidentL. DAHMANI, M.C, Université d’Oran, ExaminateurA. KADRI, Professeur, Université d’Oran, ExaminateurG. MERAD, Professeur, Univ. Abou Bakr Belkaid Tlemcen, ExaminateurK. ZITOUNI, Professeur, Université d’Oran, Rapporteur
ETUDE DE NANOSTRUCTURES LASERSA BASE DE MATERIAUX QUINAIRES InGaAlAsSb/GaSb :APPLICATIONS A L’ENVIRONNEMENT-METROLOGIE
Remerciements
L’élaboration de ce travail de thèse de magistère a été menée au
Laboratoire d’Etude des Matériaux, Opto-électronique & Polymères dirigé
par le Professeur K. ZITOUNI au Département de Physique de ll’Université
d’Oran.
J’aimerais tout d’abord exprimer ma reconnaissance à mes directeurs de
recherches, les Professeurs Karima ZITOUNI et Abderrahmene KADRI, qui
m’ont formé, conseillé et inculqué l’essentiel de ce que je connais des
lasers.
Je remercie chaleureusement le Professeur K. ZITOUNI qui m’a consacré
beaucoup de son temps afin de bien mener ce travail.
Mes remerciements vont aussi au Professeur A.KADRI qui a aussi bien
veillé au bon déroulement de cette thèse.
Par la même occasion je remercie le Professeur A. HAMOU de l’université
d’Oran qui m’a fait l’honneur de présider le jury de ma thèse.
Je remercie également le Professeur A.KADRI, le Professeur G. MERAD de
l’université de Tlemcen ainsi que Monsieur L. DAHMANI Maitre de
conférence à l’unversité d’Oran qui ont bien voulu participer à l’examen de
cette thèse.
Un grand merci à mes parents qui ont contribué au bon déroulement de ce
travail par leur compréhension, leurs encouragements, leur soutien moral
et leur patience. Je leur serais éternellement redevable. Je ne voudrais en
aucun cas oublier de remercier mon frère Alaa à qui je souhaite de réussir
dans ces études.
Je tiens également à exprimer ma gratitude à mes collègues et
spécialement MAMI Fatima Zohra, MAHI Fatima, TOURABI Nawel,
HAMMAR Salim, DJELLAL Abdellah, RAKRAK Kadour, pour leur soutien et
la bonne ambiance de travail. Plus particulièrement je serais
reconnaissante à BENHARRATS Farah qui m’a gentiment accordé de son
temps durant la rédaction de ce manuscrit et à qui je souhaite une bonne
continuation dans la préparation de sa thèse de doctorat.
Je ne peux passer sans remercier tous ceux qui m’ont soutenu de prés ou
de loin ; BELHADJ Zohir et OUDJANI Amir. Plus particulièrement Monsieur
BEKHTI du CNTS d’Arzew, que je remercie vivement pour ces conseils
judicieux depuis le début de mon cycle universitaire.
AYAT Maha
Magister de Physique option : MICRO-OPTO-ELECTRONIQUE- Janvier 2009
Intitulé : Etude de nanostructures LASER à base de matériaux quinaires deInGaAlAsSb/GaSb : Applications en Environnement - Métrologie
Résumé : Dans ce travail, nous étudions les lasers à base de puits quantiques dematériaux semi-conducteurs III-V antimoniures : InGaAsSb/InGaAlAsSb/GaSb.L’objectif est de concevoir un Laser émettant dans l’Infrarouge Moyen : λ= [2-4µm].
Ce Laser est conçu à base de puits quantiques de Type I de matériauxantimoniures quinaires InGaAsSb/InGaAlAsSb/GaSb, en vue des applications dansles domaines de la télédétection atmosphérique et la métrologie optique des gaz.Ce laser présente certains avantages par rapport à ceux basés sur le systèmeantimoniures Quaternaires InGaAsSb/InGaAlSb/GaSb. Parmi lesquels : il permet unaccroissement du band-offset de valence ΔEV et par conséquent, d’aller au-delà des3µm (λ>3µm) tout en fonctionnant à température ambiante (T=300°K).
Au Chapitre I, nous réalisons une étude des propriétés électroniques et de bandesd’énergie des matériaux antimoniures binaires, ternaires et quaternaires d’intérêt
Au chapitre II, nous procédons à l’étude proprement dite des matériaux quinairesantimoniures InGaAlAsSb, InGaNAsSb et InGaPAsSb ainsi que les méthodes decroissance qui leurs sont appropriées.
Au chapitre III, nous présentons la structure adéquate à notre dispositifInGaAlAsSb/GaSb, et nous optimisons les paramètres fondamentaux du laser àsavoir: le gain optique et la densité de courant de seuil. Nous montrons que cedispositif peut émettre à une longueur d’onde λsupérieure à 3µm. Cette propriétépermet d’accroître considérablement la sensibilité et la gamme de détection desdifférents gaz en suspension dans l’air.
Au chapitre IV, nous étudions les différentes applications de ce laser lorsqu’il associéen tandem avec un Photo-détecteur : Le LIDAR (Light Détection And Ranging) et leTDLAS (Trace Detection by Laser Absorption Spectroscopy) dans la télédétection(Remote Sensing) de traces de gaz ou de molécules en suspens dans l’atmosphère.
Mots clés : Semi-conducteurs, quinaires, InGaAlAsSb/GaSb, Nanostructures,Laser à Multi-Puits Quantiques Type I,gain optique, densité de courant de seuil,télédétection atmosphérique, métrologie optique des gaz, LIDAR, TDLAS.
Post-graduation de Micro-Opto-Electronique,
Laboratoire d’Etude des Matériaux, Optoélectronique et Polymères, LEMOP,
Département de Physique Faculté des sciences Université d’Oran
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : Propriétés des matériaux Antimoniures.......................01
1. Introduction……………………………………………………………..02
2. Propriétés des matériaux massifs antimoniures……………………02
3. Techniques de croissance des antimoniures massifs……………..21
4. Conclusion……………………………………………………………...23
CHAPITRE II : Les antimoniures Quinaires.....................................25
1. Introduction..................................................................................26
2. Les matériaux Quinaires..............................................................26
3. Les méthodes de fabrication........................................................35
4. Conclusion...................................................................................43
CHAPITRE III : Les Lasers à Puits Quantiques InGaAlAsSb..............45
1. Introduction.................................................................................46
2. Emission laser............................................................................46
3. Les hétérostructures..................................................................48
4. Système quantifié particulier de InGaAlAsSb / GaSb................54
5. Optimisation des paramètres du Laser......................................59
6. Conclusion.................................................................................
CHAPITRE IV : Les applications du laser InGaAlAsSb.........................72
1. Introduction...................................................................................73
2. Interaction onde-matière dans la détection de gaz.......................74
3. Détection des gaz polluants..........................................................75
4. Applications environnementales....................................................79
5. Applications médicales..................................................................83
6. Autres applications........................................................................86
7. Conclusion.....................................................................................87
CONCLUSION
INTRODUCTION
Les techniques de détection et d'émission dans le domaine de l’infrarouge ont
parcourut un long chemin, et ceci depuis la découverte de ces rayonnements
IR par William Herschel en 1800.
En effet, les substances portées à des températures allant de 0 à 1000°C
émettent la majeure partie de leur énergie sous forme de rayonnements de
longueurs d'onde infrarouge dans la gamme qui s’étend de 1μm à 20μm, de
plus l'atmosphère a une fenêtre de transmission dans la gamme 3μm à 5μm
(MIR) et des régions de 8μm à 14μm (LIR), ce qui implique que les détecteurs
et les lasers dans ce domaine de longueurs d'onde sont d’une importance
considérable pour diverses applications.
Une chaîne de détection qui comprend un laser infrarouge permet de faire des
mesures de concentration atmosphérique avec une très grande sensibilité.
Les lasers moléculaires, qui fonctionnent dans l’infrarouge moyen, ont été
parmi les premiers à faire leur preuve sur le terrain. Cependant leur spectre
d’émission est limité à un intervalle relativement étroit (9μm-11μm).
Nous pouvons aussi disposer de sources Lasers à semiconducteurs, dont le
fonctionnement repose sur la recombinaison directe électron-trou.
On peut citer parmi ces lasers, ceux à base d’alliages II-VI comme le HgCdTe,
qui est un matériau bien établi qui a été le système dominant pour des
détecteurs photoélectriques de MIR et de LIR. Cependant, le HgCdTe souffre
de problèmes d'instabilité et d'irrégularité dus à la pression de vapeur élevée
du mercure (Hg).
Ces problèmes ont en effet intensifié les recherches, et ceci dans le but de
trouver un matériau alternatif pouvant fonctionner dans le moyen infrarouge.
Les matériaux à base d’antimoine (Sb) comprenant les binaires III-Sb ainsi
que les alliages ternaires, quaternaires et quinaires III-V-Sb sont les candidats
qui conviennent le plus aux applications dans la gamme du moyen infrarouge
telles que les applications militaires et civiles comme : la contre-mesure, la
spectroscopie moléculaire de polluants atmosphériques et le contrôle des
processus industriels.
A l’heure actuelle, le développement des hétérostructures à base
d’antimoniures est stimulé par la possibilité d’élargir la gamme d’utilisation des
différents composants optoélectroniques.
Dans ce travail de thèse, nous avons pour objectif d’étudier la faisabilité d’un
laser à structures quantiques basé sur l’hétérostructure
InGaAsSb/InGaAlAsSb/GaSb.
Ces alliages sont étudiés afin d’éviter les contraintes dues essentiellement au
fort désaccord de maille entre les matériaux et le substrat et aussi pour
pouvoir atteindre la gamme spectrale désirée (2-5μm).
Ce mémoire de thèse se scinde en quatre chapitres :
Pour commencer, nous présentons au premier chapitre le système de
matériaux adéquats à une utilisation dans l’infrarouge moyen : les
antimoniures. Nous ferons une brève étude sur les propriétés structurales et
énergétiques des différents matériaux : les binaires, les ternaires et les
quaternaires.
Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des paramètres propres aux
alliages semi-conducteurs quinaires (paramètre de maille, énergie de bande
interdite et masses effectives).
Nous décrirons par la suite les différentes méthodes de croissance de ces
alliages permettant la réalisation de la structure laser.
Au troisième chapitre nous introduisons le concept d’hétérostructures idéales
basées sur les matériaux étudiés pour le développement de dispositifs
émetteurs dans la gamme 2μm-5μm. Ensuite nous entamerons les lasers à
puits quantiques InGaAlAsSb ainsi que l’optimisation des paramètres
fondamentaux.
Au dernier chapitre nous présentons les applications qu’offre notre laser
InGaAlAsSb à la spectroscopie d’absorption laser et à la télédétection qui
seront, en partie, appliqués à la détection de la pollution atmosphérique.
Chapitre I Les matériaux antimoniures
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
1
Chapitre I :
Propriétés des matériaux Antimoniures
__________
1. Introduction
2. Propriétés des matériaux massifs antimoniures
2.1. Propriétés des Binaires
2.2. Propriétés des Ternaires
2.3. Propriétés des Quaternaires
3. Techniques de croissance des antimoniures massifs
3.1. Méthode Czochralski
3.2. Méthode Bridgman
4. Conclusion
Chapitre I Les matériaux antimoniures
_______________AYAT Maha
Magistèr en Micro-O
2
1. Introduction :Les matériaux semi-conducteurs sont des composants qui ont un large
domaine d’applications, en particulier les matériaux antimoniures qui trouvent
leur champ d’applications dans la gamme de l’Infra Rouge Moyen. Ces
matériaux sont conçus à partir d’alliages contenants des éléments du groupe
III (Ga, In, Al) et des éléments du groupe V (As, Sb). Dans ce chapitre, nous
étudierons les propriétés physiques des alliages binaires, ternaires et
quaternaires.
2. Propriétés des matériaux massifs antimoniures :
2.1. Propriétés des binaires :
2.1.1 Structure cristalline :
La plupart des composés III-V cristallisent suivant la structure Zinc
Blende qui est constituée de deux sous réseaux cubiques à faces
centrées décalés l’un par rapport à l’autre du quart de la diagonale
principale. Chaque sous réseau est constitué d’atomes du groupe III ou
du groupe V.[1]
Ga
____________________________________________________________________Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :Application en Métrologie -Environnement
pto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
Figure I-1 : Structure Zinc Blende du GaSb
Sb
Chapitre I Les matériaux antimoniures
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
3
La zone de Brillouin de ces réseaux cfc présente un centre de symétrie à
l’origine au point 0k et des axes de symétrie.
: 100
: 111
: 011
Les points X sont sur les axes 100
Les points L sont sur les axes 111
Les points K sont sur les axes 011
Les points de rencontre de chacun de ces axes avec la zone de Brillouin
jouent un rôle important dans la structure des bandes.
L
X
K
Figure I- 2 : Première zone de Brillouin de la structure Zinc-Blende
Chapitre I Les matériaux antimoniures
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
4
2.1.2. Structure de bandes :
Les semi-conducteurs sont caractérisés par leur structure de bandes.
Les composés binaires InSb, GaSb, InAs et GaAs possèdent un gap dit gap
direct où le maximum de la bande de valence est au point en 0
k et le
minimum de la bande de conduction est au point
Les binaires AlSb et AlAs ont un gap dit gap indirect où le maximum de la
bande de valence est au point et le minimum de la bande de valence se
trouve au point X (100).
Les masses effectives de conduction et de valence sont données comme suit
[2] :3/22/1* )( eec mnmm ; 3/22/32/3* )( hlhhv mmm (1)
mhh et mlh étant respectivement les masses des trous lourds et légers :
21
0
2
mmhh ;
21
0
2
mmlh (2)
23
22 22 ; 1, 2, 3 paramètres de Luttinger.
Les composés binaires InSb, GaSb, InAs et GaAs à gap (Eg) direct ont la
même structure de bande en. Les différentes valeurs du gap sont
respectivement : 0.235 eV, 0.812 eV, 0.417 eV, 1.519 eV ; les valeurs de so
sont : 0.81 eV, 0.76 eV, 0.39 eV, 0.341 eV.
Les composés AlSb et AlAs sont à gap indirect avec un gap (Eg) indirect de
1.696 eV et 2.24 eV ; et un band-offset (so) de 0.676 eV et 0.28 eV.
(b)
Trous lourds
Trous légers
111100 0
EgL
Eg
EgX
so
L
X
GaAs
100 111
EgX
so
Trous lourds
Trous légers
0
EgL
Eg
L
XGaSb
(a)
C
_______AYAT M
Magistèr
2
L
c
P
l
x
L
L
o
hapitre I Les matériaux antimoniures
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
5
.2. Propriétés des ternaires :
es composés ternaires comportent deux composés binaires de telle manière à
e qu’il y ait accord de maille avec le substrat.
our un alliage ternaire AxB1-xC le paramètre de maille est donné par la relation
inéaire suivante :
a = x aAC + (1-x) aBC (3)
: composition de l’alliage
’accord de maille est tel que aA B C = aSubstart.
’énergie du gap de l’alliage est sous la forme suivante :
Eg = (1-x) Eg (BC) + x Eg (AC) - x (1-x) b (4)
ù b est le coefficient de courbure.
IU,KXL
EgEg
InAs
(d)
Figure I-3 : Structures de bandes ; (a) :GaAs [3], (b) : GaSb [3], (c) :InAs [4], (d) : AlSb[5]
L IU,KX
AlSb
(c)
Chapitre I Les matériaux antimoniures
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
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Ga1-x Inx Sb :
Le matériau Inx Ga1-x Sb est constitué des binaires InSb et GaSb. Son énergie
de gap à 0°K varie de 0.812 eV dans le GaSb à 0.235 eV dans l’InSb. Le
paramètre de maille varie de 6.09 Å (GaSb) à 6.48 Å (InSb).
Les valeurs de l’énergie de gap varient en fonction de la composition suivant
les relations suivantes et sont représentées sur la fig.4 :
Eg () = (1-x) 0.812 + x 0.235 – x (1-x) 0.415
Eg (X) = (1-x) 1.141 + x 0.63 – x (1-x) 0.33 (5)
Eg (L) = (1-x) 0.875 + x 0.93 – x (1-x) 0.4
Les masses effectives varient en fonction de la composition x suivant les
équation suivantes et leurs valeurs sont représentées sur la fig.5 :
11.012.0)1()(015.004.0)1()(
26.025.0)1()(0092.0)1(0135.0039.0)1()(
*
*
*
*
xxmxxm
xxmxxxxm
so
lh
hh
e
(6)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2Ga1-xInxSbE
g
X
InSbGaSb
Eg
L
Eg
Ene
rgie
duga
p[e
V]
composition x
Figure I-4 : Variation de l’énergie du gap du composé InxGa1-xSb en fonction de lacomposition x.
Chapitre I Les matériaux antimoniures
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Ga1-x
InxSb
mso
me
GaSb InSb
mlh()
mlh
mhh
() mhh
mas
ses
effe
ctiv
es[K
g]
composition x
Ga1-x Alx Sb
L’alliage Ga1-xAlxSb est un matériau d’une très grande importance dans
l’électronique rapide et est utilisé comme dispositif infrarouge dans
l’optoélectronique. Le paramètre de maille est de 6.09 Å pour le GaSb et de
6.14 Å pour le AlSb, ce qui signifie qu’il y’a un assez bon accord de maille.
Ce matériau possède une bande interdite qui varie de façon non linéaire avec
la composition x en Al entre le gap direct de GaSb 0.812eV et le gap indirect de
AlSb 1.696 eV suivant les équations suivantes :
Eg () = 2.386 x + 0.812 (1-x) – x (1-x) (-0.044 + 1.22 x)
Eg (X) = 1.696 x +1.141 (1-x) (7)
Eg (L) = 2.329 x +0.875 (1-x)
Les valeurs des masses effectives varient en fonction de la composition x
suivant les équations :
me* = 0.14 x + 0.039 (1-x)
mhh* = 0.357 x + 0.25 (1-x) 6
mlh* = 0.132 x + 0.04 (1-x)
mso* = 0.22 x + 0.12 (1-x)
Les valeurs de l’énergie du gap et des masses effectives sont illustrées dans la
fig.6 et fig.7
Figure I-5 : Variation de la masse effective du InxGa1-xSb en fonction de lacomposition x en In
C
_______AYAT M
Magistèr
hapitre I Les matériaux antimoniures
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
Ga1-x
AlxSb
GaSb AlSb
X
L
Ene
rgie
dega
p
composition x
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
0.32
0.36Ga1-xAlxSb
me
mso
mhh
mhh
()
mlh()m
lh
GaSb AlSb
mas
ses
effe
ctiv
es
composition x
Figure I-6 : Variation de l’énergie du gap du composé AlxGa1-xSb enfonction de la composition x en Al
Figure I-7 : Variation de la masse effective du AlxGa1-xSb en fonction de lacomposition x en Al
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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Ga1-xAlxAs
Ga1-xAlxAs est l’alliage semi-conducteur III-V le plus étudié. Il a un rôle
important dans les transistors et les dispositifs optoélectroniques. Le pas du
réseau est quasiment identique pour les deux binaires : 5.6 Å en GaAs et
5.66 Å en AlAs.
Il possède un gap direct compris entre 1.51 et 1.9 eV. Ce gap varie en
fonction de x en Al entre le gap direct de GaAs 1.519 eV et le gap indirect de
AlAs 2.42 eV suivant les équations :
46.2815.1)1()(055.0)1(24.2981.1)1()(
)310.1127.0)(1(099.3519.1)1()(
xxxExxxxxE
xxxxxxE
L
X
g
g
g
(7)
La variation des masses effectives des électrons et des trous en fonction de x
dans AlxGa1-xAs est obtenue par les équations suivantes :
172.0)1(28.009.0)1(18.0
35.0)1(47.0067.0)1(15.0
*
*
*
*
xxmxxm
xxmxxm
so
lh
hh
e
(8)
La variation du gap et des masses effective en fonction de x est représentée
sur les graphes suivants :
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
Ga1-xAlxAs
AlAsGaAs
L
X
Ene
rgie
dega
p[e
V]
composition x
Figure I-8 : Variation de l’énergie du gap du composé AlxGa1-xAs enfonction de la composition x en Al
C
_______AYAT M
Magistèr
hapitre I Les matériaux antimoniures
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Ga1-x
AlxAs
AlAsGaAs
mhh
mhh()
mso
me
mlh mlh()
mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
composition x
Ga1-xInxAs
L’alliage Ga1-xInxAs est un composant clé dans la région active des dispositifs
en électronique rapide, lasers infrarouge et les lasers à cascades quantiques
aux grandes longueurs d’onde. Les paramètres de maille du GaAs et InAs
sont très différents (5.64 Å à 6.05 Å respectivement) ce qui provoque un fort
désaccord de maille entre les différentes couches.
bgLa bande interdite est directe pour toutes les valeurs de x.
33.0)1(815.1)1(133.1)(
4.1)1(981.1)1(433.1)(
477.0)1(519.1)1(417.0)(
xxxxxE
xxxxxE
xxxxxE
Lg
Xg
g
(9)
172.0)1(14.0
0202.0)1(09.0)1(27.0
145.0)1(35.0)1(33.0
0091.0)1(067.0)1(026.0
*
*
*
*
xxm
xxxxm
xxxxm
xxxxm
so
lh
hh
e
(10)
Les valeurs obtenues par les équations (8) et (9) sont représentées sur les
figures suivantes :
Figure I-9 : Variation de la masse effective du AlxGa1-xAs en fonction de lacomposition x en Al
C
_______AYAT M
Magistèr
hapitre I Les matériaux antimoniures
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
11
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
InxGa
1-xAs
GaAs InAs
L
X
Ene
rgie
dega
p
composition x
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
InxGa1-xAs
GaAs InAs
mhh
()m
hh
mso
mlh()
mlh
me
mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
composition x
Figure I-10 : Variation de l’énergie du gap du composé InxGa1-xAs enfonction de la composition x en In
Figure I-11 : Variation de la masse effective du InxGa1-xAs en fonction dela composition x en In
C
_______AYAT M
Magistèr
L
s
v
p
0
s
L
l
m
m
m
m
hapitre I Les matériaux antimoniures
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
12
InAs1-xSbx
’alliage Inx As1-x Sb est un alliage qui présente un faible gap parmi tous les
emi-conducteurs III-V. Ce qui fait de lui un matériau très intéressant pour une
ariété de dispositifs optoélectronique infrarouge tels les lasers ou les
hotodétecteurs. Le gap est direct suivant toute la composition x et varie de
.417eV (InAs) à 0.235eV (InSb). Cette variation est obtenue par les équations
uivantes et représentées dans la fig.8 :
6.0)1(133.1)1(93.0
6.0)1(433.1)1(63.0
67.0)1(417.0)1(235.0
xxxxE
xxxxE
xxxxE
Lg
Xg
g
(12)
a variation des masses effectives en fonction de la composition x est suivant
es équations ci-dessous :
14.0)1(11.0
027.0)1(015.0
333.0)1(26.0
026.0)1(0135.0
*
*
*
*
xx
xx
xx
xx
so
lh
hh
e
(13)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4InAs
1-xSb
x
InSbInAs
L
X
Ene
rgie
dega
p[e
V]
composition x
Figure I-12 : Variation de l’énergie du gap du Inx As1-xSb en fonction de lacomposition x en In
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
13
GaAs1-xSbx
L’alliage GaAs1-xSbx est composé des binaires GaSb et GaAs. Le gap direct de ce
composé varie entre 1.519 eV (GaAs) et 0.812 eV (GaSb) en fonction de la
composition x de 0 à 1.
Les équations qui suivent montrent la variation du gap et des masses effectives :
2.1)1(815.1)1(875.0
2.1)1()1(981.1141.1
43.1)1(519.1)1(812.0
xxxxE
xxxxE
xxxxE
Lg
Xg
g
(14)
14.0)1(11.0
027.0)1(015.0
)1(35.025.0
)1(067.0039.0
*
*
*
xxm
xxm
xxm
xxm
so
lh
hh
e
(15)
Figure I-13 : Variation de la masse effective du InAs1-xSbx en fonction dela composition x en Sb.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,200,220,240,260,280,300,320,34
mhh
mhh()
m lh
me mlh()
InAs1-xSbx
InSbInAs
mso
mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
composition x
C
_______AYAT M
Magistèr
hapitre I Les matériaux antimoniures
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Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
14
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0GaAs1-xSbx
GaSbGaAs
L
X
Ene
rgie
deg
ap[e
V]
composition x
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.36
GaAs1-xSbx
GaSbGaAs
mhh
mhh()
mso
mlhmlh()
me
mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
composition x
Figure I-14: Variation de l’énergie du gap du Ga As1-xSbx en fonction dela composition x
Figure I-15 : Variation de la masse effective du Ga As1-x Sbx en fonctionde la composition x
C
_______AYAT M
Magistèr
AlAs
InP,
eV e
com
Les
(((
EEE
L
X
g
g
g
La v
*
*
*
*
m
m
m
m
so
lh
hh
e
La v
hapitre I Les matériaux antimoniures
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15
AlAs1-xSbx
1-xSbx est un matériau versatile à large gap, il peut s’adapter à un substrat de
InAs ou GaSb. Le gap de cet alliage varie entre le gap indirect du AlAs 2.24
t celui du AlSb 1.696 eV. Ce qui fait qu’il a un gap indirect suivant toute la
position x.
équations qui décrivent cette variation en fonction de x sont les suivantes :
28.0)1(329.246.2)1()28.0)1(696.124.2)1()
8.0)1(386.2099.3)1()
xxxxxxxxxx
xxxxx
(16)
ariation des masses effectives est donnée par les relations suivantes :
28.0)1(22.0
18.0)1(132.0
47.0)1(357.0
15.0)1(14.0
xx
xx
xx
xx
(17)
ariation de ces paramètres est décrite par les figures ci-dessous :
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
AlAs1-xSbx
AlSbAlAs
X
L
Ene
rgie
dega
p[e
V]
composition x
Figure I-16 : Variation de l’énergie du gap du AlAs1-xSbx en fonction de lacomposition x
C
_______AYAT M
Magistèr
2
L
l
b
U
e
B
e
L
f
G
A
t
hapitre I Les matériaux antimoniures
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16
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.400.420.440.460.48 AlAs
1-xSb
x
AlSbAlAs
me
mlh
mlh()
mhh
mhh()
mso
ma
sses
effe
ctiv
es
[mx/m
0]
composition x
.3. Propriétés des quaternaires :
’intérêt des alliages quaternaires est le contrôle du désaccord de maille entre
es différentes couches et donc, la contrainte qui en résulte, tout en ajustant la
onne longueur d’onde.
n alliage quaternaire AxB1-xCyD1-y est composé de deux alliages ternaires ABC
t ABD qui sont composés eux même de 4 composés binaires AC, BC, AD et
D. Ainsi on peut utiliser les paramètres physiques de composés binaires pour
stimer ceux du système quaternaires.
es paramètres énergétiques des alliages quaternaires sont calculés par la
ormule suivante :
)1()1()]()1()()[1()]()()1)[(1(
),(''''
"yyxx
yGxyxGyyxyGxGyxxyx BCDACDABCABD
ABCD
(18)
vec G’ABD, G’ABC, G’ACD, G’BCD sont les paramètres énergétiques des alliages
ernaires AxB1-xC, AxB1-xD, AxC1-xD, BxC1-xD.
BDADBCACABCD ayxayxyaxxyayxa )1)(1()1()1(),( (19)
Figure I-17 : Variation de la masse effective du Al As1-x Sbx en fonction dela composition x
C
_______AYAT M
Magistèr
A
q
f
Eg
E
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17
InxGa1-xAsySb1-y
La condition d’accord de maille avec le substrat GaSb est :
xx
y033.0432.0372.0372.0
En plus simplifiée, cette relation s’écrit de la façon suivante :
partir de ce graphe on remarque que l’énergie de gap du matériau
uaternaire InxGa1-xAsySb1-y augmente avec la composition y en Arséniure en
ixant x.
)1()1(
)]()1()()[1()]()()1)[(1(
yyxx
GaAsSbExInAsSbxEyyInGaAsyEInGaSbEyxx gggg
(20)
)]()()1)[(1()]()1()()[1(
)()1()()1)(1()()()1(
InAsSbxbGaAsSbbxyyGaInSbbyGaInAsybxx
InSbEgyxGaSbEgyxInAsxyEgGaAsEgxyg
Figure I-18 : Variation du gap dans le InxGa1-xAsySb1-y enfonction de la composition y en As
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
InxGa
1-xAs
ySb
1-y
x=0.2x=0.3x=0.35x=0.4x=0.5
Ene
rgie
dega
p[e
V]
Composition y en As
(21)
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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18
AlxGa1-xAsySb1-y
xx
y0318.04426.0
0396.0
)1()1(
)]()1()()[1()]()()1)[(1(
yyxx
GaAsSbExAlAsSbxEyyAlGaAsyEAlGaSbEyxxE gggg
g
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
x=0.5
InxGa1-xAsySb1-y
m so
mlh
mhh
me
Mas
ses
Effe
ctiv
es[m
x/m0]
Composition y en As
Figure I-19 : Variation des masses effectives dans le InxGa1-xAsySb1-yen fonction de la composition y en As
)]()()1)[(1()]()1()()[1(
)()1()()1)(1()()()1(
AlAsSbxbGaAsSbbxyyGaAlSbbyGaAlAsybxx
AlSbEgyxGaSbEgyxAlAsxyEgGaAsEgxyE g
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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19
On constate qu’en fixant la composition x en Al et en variant la composition y en As
le gap augmente considérablement.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9Al
xGa
1-xAs
ySb
1-y
x=0.2x=0.3x=0.4x=0.5
Ene
rgie
dega
p[e
V]
Composition y en As
Figure I-20 : Variation du gap dans le AlxGa1-xAsySb1-y enfonction de la composition y en Al
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
x=0.2AlxGa1-xAsySb1-y
mso
mlh
mhh
me
Mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
Composition y en As
FigureI- 21 : Variation des masses effectives dans le InxGa1-xAsySb1-yen fonction de la composition y en As
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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20
D’après les deux graphes représentant le gap, on déduit que la largeur de la bande
interdite du AlxGa1-xAsySb1-y est suffisamment supérieure à celle du
InxGa1-xAsySb1-y pour être pris comme barrière dans une structure puits quantique
(chapitre III-2).
Tableau I-1 : Les paramètres énergétiques et de réseau des principaux
binaires
Matériaux Eg =E
[eV]
EX
[eV]
EL
[eV]
a
[Å]
m*e m*
hh m*lh mso
GaSb 0.812 1.141 0.875 6.09 0.039 0.25 0.04 0.12
InSb 0.235 0.63 0.93 6.48 0.0135 0.26 0.015 0.11
AlSb 2.386 1.696 2.329 6.14 0.14 0.357 0.132 0.22
InAs 0.417 1.433 1.133 6.05 0.026 0.333 0.027 0.14
GaAs 1.519 1.981 1.815 5.6 0.067 0.35 0.09 0.172
AlAs 3.099 2.24 2.46 5.66 0.15 0.47 0.18 0.28
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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21
3. Techniques de croissance des antimoniures massifs :
3.1. Méthode Czochralski :
La méthode de croissance Czochralski utilise un creuset en quartz (SiO2) de
haute pureté en contact avec un germe d’un matériau monocristallin qui sont
chauffés au-delà de leur point de fusion. Le creuset est chauffé par induction
utilisant une énergie radio-fréquence ou par résistance thermique. Un germe
de cristal, de 0.5 cm de diamètre et 10 cm de long, avec l’orientation désirée
est transformé en un cristal fondu, et ensuite il est tiré à une vitesse contrôlée.
Quand le processus est correctement effectué, le matériau dans le bain va
effectuer une transition à la phase solide à l’interface solide/liquide, donc le
nouveau matériau créé adopte la structure cristalline du matériau « germe ».
Durant la période de croissance, le creuset tourne suivant une seule direction
(12-14 rotations par minutes). Le germe quant à lui tourne dans une direction
opposée (6-8 rotations par minutes) lors de son tirage du bain. Cette rotation
constante prévient la formation des régions locales chaudes ou froides.
Figure 22 : Schéma illustrant la croissance d’un cristal semi-conducteur par la méthode Czochralski.
C
_______AYAT M
Magistèr
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22
Le diamètre du cristal est contrôlé par un pyromètre optique qui est focalisé à
l’interface entre le bout du cristal et le bain. L’Argon (Ar) est utilisé pour
bloquer toute contamination. [5]
3.2. Méthode Bridgman :
La croissance cristalline par la méthode Bridgman est similaire à la méthode
Czochralski excepté que tout le matériau semi-conducteur (bain, germe,
cristal) est mis dans un creuset durant tout le processus de chauffage et de
refroidissement.
La croissance est réalisée dans une ampoule scellée.
Dans cette méthode le matériau est sous forme de poudre et est chargé dans
une ampoule. Celle-ci est placée dans le four pour être fondue à une
température supérieure à la température de fusion du matériau. La nacelle se
déplace donc dans le four à vitesse constante (0.1 - 30 mm/h) et elle tourne
au même temps pour homogénéiser le cristal.
Deux inconvénients sont associés à cette méthode. Ils résultent du fait que le
matériau est constamment en contact avec le creuset.
Figure 23 : Croissance par la méthode Bridgman par creuset :
(a) solidification à partir du premier bout du bain fondu ; (b) fusion et solidification
avec une nacelle mobile.
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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23
En premier lieu, la paroi du creuset introduit des contraintes dans la
solidification du semi-conducteur. Ces contraintes vont entraîner une
mauvaise structure cristalline.
Aussi, aux hautes température requises pour la croissance cristalline des
massifs, le Si tend à rester dans le creuset.
4. Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons étudié et présenté les propriétés de différents
matériaux antimoniures d’intérêt dans les applications optoélectroniques et
notamment, dans la conception des lasers émettant dans le moyen
infrarouge.
Sachant que les matériaux quinaires, qui nous intéressent dans cette étude,
sont encore au stade des études préliminaires, il existe très peu de
paramètres et de propriétés disponibles dans la bibliographie et ceci aussi
bien sur le plan expérimental que théorique.
Nous avons donc du adopter une démarche pragmatique qui consiste à
procéder d’abord à une étude minutieuse de cette famille de matériaux allant
des simples binaires bien connus aux quaternaires moins bien connus.
Nous avons ensuite étudié les systèmes ternaires, on a remarqué que
l’InAsSb permettait de couvrir un important domaine de l’infrarouge mais
présentait un certain inconvénient dans la structure puits quantique qui est un
alignement de type II (chapitre III).
Le système quaternaire étudié est le mieux adapté à la concéption des ces
émetteurs dans conception car il permettait de réduire plus ou moins les
contraintes rencontrées dans les ternaires, mais il présentait toujours cette
contrainte liée au désaccord de maille et la limitation en longueur
d’onde m 3 .
Plusieurs solutions sont envisageables. On peut utiliser le quaternaire
AlInAsSb ou le quinaire AlGaInAsSb qui présentent un alignement de type I.
Cependant, il est impossible de faire croître l’AlInAsSb avec de grandes
Chapitre I Les matériaux antimoniures
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Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
24
compositions en Indium ou en Aluminium, car ça entraînera l’apparition
d’amas d’impuretés et d’un large gap de miscibilité.
Comme recours nous nous proposons d’exploiter dans le chapitre suivant les
propriétés que présente un système quinaire antimoniure.
Références :
[1] : Introduction à la physique de l’état solide. C. Kittel.
[2] : Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques par H.
F. R des sciences. Mathieu 4ième édition.
[3]: Physical properties of Gallium Arsenide Antimonide GaAsSb;
www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/GaAsSb/index.html - 5k.
[4] : I. Vurgaftman, J.R.Meyer, L.R.Ram-Mohan, J. Appl. Physics, Vol.89
(11)m 5815-5875 (2001).
[5] : Semiconductors Nanostructures for Optoelectronic Applications, Todd
Stainer.
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
25
Chapitre II :
Les antimoniures Quinaires
_________
1. Introduction
2. Les matériaux Quinaires
2.1. InGaAlAsSb
2.2. InGaPAsSb
2.3. InGaNAsSb
3. Les méthodes de fabrication
3.1. Epitaxie par jet moléculaire (MBE)
3.2. Déposition Chimique en Phase Vapeur par
OrganoMétalliques
3.3. Metal Organic Molecular Beam Epitaxy
3.4. Epitaxie en Phase Liquide
4. Conclusion
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
_______AYAT M
Magistèr
26
1. Introduction
Les propriétés électroniques des matériaux constituants les dispositifs
optoélectroniques peuvent être améliorées par l’utilisation d’alliages de
matériaux semi-conducteurs possédant des énergies de gap couvrant la
gamme spectrale du moyen infrarouge.
Quelques alliages quaternaires couvrant cette gamme tels que InGaAsSb
et AlGaAsSb ont été étudiés. Mais ces derniers présentent une difficulté
qui est la lacune due au désaccord des paramètres de maille avec le
substrat et ils ne permettent pas d’atteindre les longueurs d’onde voulues
[3-5] m. Donc pour y remédier on fera appel aux alliages quinaires
InxGa1-x-yAlyAszSb1-z, InxGa1-xAsyPzSb1-y-z et InxGa1-xAsyNzSb1-y-z qui ont
l’avantage de varier l’énergie de gap indépendamment du paramètre de
maille et de contrôler la contrainte de miscibilité et arriver jusqu’à 5m.
2. Les matériaux Quinaires
2.1. InxGa1-x-y AlyAszSb1-y-z
Le matériau quinaire InxGa1-x-yAlyAszSb1-z est constitué de six binaires
GaSb, InSb, AlSb, InAs, GaAs, AlAs. Les paramètres du réseau et
énergétiques de ces matériaux binaires sont utilisés pour définir l’énergie
du gap, le paramètre de maille ainsi que les masses effectives de l’alliage
quinaire suivant les équations ci-dessous :
GaSbGaAsAlSb
AlAsInSbInAsSbAsAlGaIn
ayxzzayxazy
yzaazxxzaazzyyxx
)1)(1()1()1(
)1(11
(1)
____________________________________________________________________________aha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
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])1([)1(
])1()[1(])1([])1()[1()1)(1(
)1()1()1(
GaAlSbGaAlAs
InGaSbInGaAsInAlSbInAlAs
GaAsSbAlAsSbInAsSbGaSb
GaAsAlSbAlAsInSbInAsg
bzyzbyyx
bzzbyxxbzzbxybyxybxbzzEzyx
zEyxEzyyzEEzxxzEE
(2)
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
_________AYAT Ma
Magistèr en
27
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
GaSbmzyxGaAszmyxAlSbmzy
AlAsyzmInSbmzxInAsxzmm
eee
eeee
(3)
_ha
M
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
GaSbmzyxGaAszmyxAlSbmzy
AlAsyzmInSbmzxInAsxzmm
hhhhhh
hhhhhhhh
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxGaAszmyx
AlSbmzyAlAsyzmInSbmzxInAsxzmm
lhlh
lhlhlhlhlh
_________________________________________________________________________Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :Application en Métrologie -Environnement
icro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
Figure II-1 : Variation de l’énergie du gap du InxGa1-x-yAlyAszSb1-z en fonction
de la composition z en As
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
InxGa1-x-yAlyAszsb1-y-z
x=0.2;y=0.03x=0.2;y=0.05x=0.5;y=0.03x=0.2;y=0.2
Eg
[eV
]
composition z en As
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxGaAszmyx
AlSbmzyAlAsyzmInSbmzxInAsxzmm
soso
sososososo
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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28
Le graphe ci-dessus illustre la variation de la largeur de la bande interdite du
matériau InxGayAl1-x-yAszSb1-z en variant la composition en As et en fixant les
valeurs des compositions x et y de l’In et de l’Al respectivement. On déduit
qu’en augmentant la composition z en As on a augmentation du gap jusqu’à
une certaine valeur où notre gamme spectral sera réduite.
La variation des masses effectives suivant les équations (3) est représentée
dans le graphe ci-dessous :
On constate sur le graphe ci-dessus que les valeurs des masses d’électrons
sont presque identiques à celles des trous légers, ce qui nous permet d’avoir
un bon confinement des porteurs.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
Composition z en As
x=0.2; y=0.2
InxGa1-x-yAly AszSb (1-z)
mso
m lh
mhh
m e
Figure II-2 : Variation des masses effectives du InxGa1-x-yAlyAszSb1-z en fonction
de la composition z en As
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
_________AYAT Ma
Magistèr en
29
2.2. GaxIn1-xPyAs1-y-zSbz
Le matériau quinaire InxGa1-xAsyPzSb1-y-z est formé des six binaires suivants :
InAs, InP, InSb, GaAs, GaP et le GaSb. Le paramètre de maille de cet alliage
quinaire est obtenu par interpolation linéaire utilisant le paramètre des
binaires :
L’énergie du gap utilise aussi les paramètres énergétiques des binaires
constituant le matériau :
La variation des masses effectives se fait suivant les équations suivantes :
InAsGaAsGaSb
GaPInSbInPzyAszSbyPxInxGa
xzazaxazyx
yaxazyxxyaa
)1()1)(1(
)1()1(11
(4)
)]()1()()[1()]()1()()[1()]()1()([
)]()()1()()[1()1)(1()1()1(
)1(11
InAsSbbxGaAsSbxbzyzInPAsbxGaPAsxbzyyInPSbbxGaPSbxbyz
InGaSbzbInGaAsbzyInGaPybxxEzyxzExyEx
xyEEzyxxzEE
InAsInSbInP
GaPGaAsGaSbSbAsPGaIn zzyyxx
(5)
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
InAsmzyxGaAsmzyxInSbzmx
GaSbxzmInPymxGaPxymm
eee
eeee
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
InAsmzyxGaAsmzyxInSbzmx
GaSbxzmInPymxGaPxymm
hhhhhh
hhhhehh
(6)
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
InAsmzyxGaAsmzyxInSbzmx
GaSbxzmInPymxGaPxymm
lhlhlh
lhlhlhlh
__________________________________________________________________________ha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
Application en Métrologie -EnvironnementMicro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009
)()1)(1()()1()()1(
)()()1()(***
****
InAsmzyxGaAsmzyxInSbzmx
GaSbxzmInPymxGaPxymm
sososo
sosososo
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
___________________________________________________________________________________AYAT Maha Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :
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30
Sur
Figure II-3 : Variation de l’énergie du gap du GaxIn1-xPySbzAs1-y-z en fonction
de la composition z en As
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2GaxIn1-xPySbzAs1-y-z
x=0.3;y=0.03x=0.3,y=0.05x=0.2;y=0.03x=0.5;y=0.03x=0.91;y=0.80
Ene
rgie
dega
p[e
V]
Composition z en Sb
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
x=0.3;y0.03
Ga xIn1-xPyAs1-y-zSbzmhh
mso
mlh
me
Mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
Composition Z en Sb
Figure II-4 : Variation des masses effectives du GaxIn1-xPySbzAs1-y-z en fonction de
la composition z en As
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
_______AYAT M
Magistèr
31
le graphe représentant la variation de l’énergie de gap on constate que pour
de faible compositions en Ga et en P on est dans la bonne gamme d’énergie
mais arrivé à un certain pourcentage on a un éclatement de la bande
interdite.
Ce matériau est à priori le bon matériau, suivant certaines compositions, pour
les applications qui nous intéressent. Cependant du point de vue
expérimental, réside un problème lié à la chimie particulière de ce matériau
qui est la difficulté de croître un cristal en présence du phosphore et de
l’arséniure.
2.3. InxGa1-xNyAszSb1-y-z
Le matériau quaternaire InGaNAs était le matériau qui permettait le
développement des lasers émettant dans les longueurs d’onde de
télécommunication 1.3 m. Mais la présence de l’azote entraînait la
diminution de la constante du réseau et du gap. L’addition de l’azote
provoquait la dégradation du matériau due à la phase de ségrégation ou à la
relaxation. C’est pourquoi l’incorporation de l’antimoine (Sb) comme
surfactant pour former le matériau InGaAsNSb permet le développement de
lasers plus performants pouvant émettre jusqu’à 5 m.
Ce matériau quinaire est constitué des six binaires suivants : InN, GaN,
InSb, GaSb, InAs, GaAs.
La variation de la constante du réseau a et de l’énergie de gap Eg est décrite
par les équations qui suivent :
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Les calculs effectués sont représentés sur le graphe ci-contre :
)]()1()()[1()]()1(
)()[1()]()1()([)]()1()()()[1(
)1()1)(1(
)1()1()1()1(
GaAsSbbxInAsSbxbzyzGaNSbbx
InNSbxbzyyGaAsNbxInAsNxbyzInGaSbbzyInGaAszbInGaNybxx
yExEzyx
zExxyEEzyxxzEEg
GaNGaSb
InNInSbInAszySbzNyAsxGaxIn
GaNGaSb
GaAsInNInSbInAszySbzNyAsxGaxIn
yaxazyx
zaxxyaazyxxzaa
)1()1)(1(
)1()1()1()1(
(7)
(8)
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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32
On remarque qu’en augmentant le pourcentage de l’azote la bande interdite
s’éclate en deux bandes et que plus la concentration de l’azote augmente
plus l’éclatement devient important.
Les équations décrivant les masses sont les suivantes :
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxInSbmzyx
GaAszmxInAsxzmGaNymxInNxymm
ee
eeeee
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxInSbmzyx
GaAszmxInAsxzmGaNymxInNxymm
hhhh
hhhhhhhhhh
(9)
Figure II-5 : Variation du gap du InxGa1-xNyAszSb1-y-z en fonction de lacomposition z en As
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0 InxGa
1-xN
yAs
zSb
1-y-z
x=0.3;y=0.05x=0.3;y=0.1x=0.3;y=0.5
Ene
rgie
duga
p[e
V]
Composition z en As
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33
Les résultats obtenus à partir de ces équations sont illustrés dans le graphe
suivant pour une certaine composition de In et de N :
Figure II-6 : Variation des masses effectives du InxGa1-xNyAszSb1-y-z enfonction de la composition z en As
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
x=0.3;y=0.05
InxGa
1-xN
yAs
zSb
1-y-z
me
mlh
mso
mhh
Mas
ses
effe
ctiv
es[m
x/m0]
Composition z en As
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxInSbmzyx
GaAszmxInAsxzmGaNymxInNxymm
lhlh
lhlhlhlhlh
)()1)(1()()1(
)()1()()()1()(**
*****
GaSbmzyxInSbmzyx
GaAszmxInAsxzmGaNymxInNxymm
soso
sososososo
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34
Tableau II-1 : Paramètres de bowing des principaux ternaires
[a] H.J. Lee, L. Y. Juravel, J. C. Woolley, and A. J. Spring Thorpe, Phys. Rev. B 21, 659
(1980)
[b] Vurgaftman, Meyer and Ram-Mohan, J. Appl. Phys., Vol. 89, No, 11, 1 June 2001
[c] N. Bouarissa and H. Aourag, Phys. Status Soilidi B 199, 403 (1997)
[d] S. Isomura, F. G. D. Prat, and J. C. Wooley, Phys. Status Solidi B 65 213 (1974)
[e] H. Mathieu, D. Auvergne, P. Merle, and k. C. rustagi, Phys. Rev. B 12, 5846 (1975)
MatériauxParamètre de
bowing
GaInAs 0.477a
InGaSb 0.415c
InAlAs 0b
InAlSb 0.43d
InAsSb 0.58b
GaAsSb 1.43b
AlAsSb 0.28f
GaAlAs 0.055a, b
AlGaSb 0e
GaInP 0.2b
InAsP 0.27b, g ,,h
GaAsP 0.24b
InPSb 1.9b
GaPSb 2.7b
InGaN 2.7i
InAsN 4.22j
GaAsN 25b
GaNSb 20k
InNSb 0(b)
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35
[f] H. Ait Kaci, D. Boukridimi, and M. Mebarki, Phys. Status Solidi A 163, 101(1997)
[g] S. Adachi J. Appl. Phys. 61, 4869 (1987)
[h] T. H. Glisson, J. R. Hauser, M. A. Littlejohn, and C. K. Williams, J. Electron. Mater. 7, 1
(1973)
[i] H. P. D. Schrenk, P. de Mierry, M. Laugt, F. Omnes, M. Leroux, B. Beaumont, and P.
Gibart, Appl. Phys. Lett. 75, 2587 (1999)
[j] T. Yang, S. Nakajima, and S. Sakai, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 36 , L320 (1997)
[k] P. H. Jefferson, T. D. Veal, L. F. J. Piper and C. F. McConville.
Department of Physics, University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, UK.
D’après l’étude faite sur les propriétés des matériaux quinaires, on peut
déduire que le matériau qui fait l’objet de notre étude et le plus adapté à la
conception d’un dispositif émetteur dans le moyen infrarouge.
Et donc nous avons procédé à l’étude de la variation du gap et de la bande
spin orbite du quinaire InGaAlAsSb pour confirmer le choix de ce matériau.
En se référant aux valeurs cités dans la références [b] ; la variation de la
bande spin-orbite se fait suivant l’équation suivante :
])1([)1(])1()[1(])1([
)1()[1()1)(1(1()1()1(
GaAlSbGaAlAs
InGaSbInGaAsInAlSbInAlAs
AlAsSbInAsSbGaSb
AlSbAlAsInSbInAs
bzyzbyyxbzzbyxxbzzbxy
byxybxbzzsozyxsozysoyzsozxsoxzso
(10)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
x=0.2;y=0.2
InxGa
1-x-yAl
yAs
zsb
1-z
Eg,s
o[e
V]
composition z en As
so
Eg
Figure II-7: Variation de Eg et Δso du InxGa1-x-yAlyAszSb1-z en fonction de lacomposition z en As
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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36
En choisissant les compositions en Ga et en Al et en faisant varier le Δso
suivant la composition en As, on remarque qu’à partir de 30% en As on a un
rapport
gEso
1 ce qui prouve l’absence de l’effet Auger et ce qui est un point
positif dans notre étude.
3. Méthodes de fabrication :
La découverte des puits quantiques et des super réseaux ont révolutionné le
domaine des dispositifs semi-conducteurs. Ces dispositifs requièrent une
infime précision de control, une épaisseur plus uniforme, une excellente
homogénéité, haute pureté et des interfaces très fines entre le substrat et les
couches épitaxiées.
Les techniques d’épitaxie ont été développées dans l’ordre de satisfaire
progressivement les conditions, citées précédemment, de l’épitaxie en phase
liquide (LPE) à l’épitaxie par jet moléculaire (MBE) en passant par la
déposition chimique en phase vapeur par organométalliques (MOCVD).
Le substrat utilisé :
Les substrats utilisés sont obtenus généralement à partir de lingots
monocristallins élaborés par une des techniques de tirage CZOCHRALSKI ou
la méthode de BRIDGEMAN (Chapitre I-3).
On a mentionné précédemment que pour les applications dans la région du
Moyen Infrarouge on distingue deux filières : les arséniures et les
antimoniures.
InAs (a = 6.0584 Å) : offre un accord de maille avec la solution solide
Ga1-xInxAsySb1-y, il permet la croissance en EJM des structures complexes en
fonction des possibilités d’ingénierie.
GaAs (a = 5.6532Å) : c’est le composé le plus important du point de vue
technologique et le plus étudié comme matériau semi-conducteur. Il conduit à
des structures en compression fortement désaccordées.
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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InSb (a = 6.4794 Å) : possède le plus grand paramètre de maille et le plus
petit gap (0.235 eV) des composés III-V ce qui indique qu’il permet d’atteindre
la gamme MIR jusqu’à 5.5μm.
GaSb (a = 6.0594 Å) : il est particulièrement intéressant comme substrat
parce qu’il présente un accord de maille avec plusieurs composants III-V
ternaires, quaternaires et quinaires lesquels ont des gaps qui couvrent une
large bande spectrale de [0.8-4.3]μm. [1]
3.1 Epitaxie par jet moléculaire (MBE) :
La technique d’épitaxie par jet moléculaire a été initialement développée pour
la croissance cristalline des semi-conducteurs.
Dans cette méthode, la croissance épitaxiale se fait par les réactions entre le
jet atomique (moléculaire) de la source et la surface du substrat qui est
chauffé à une certaine température dans un environnement à ultravide.
Les épaisseurs, la composition et le niveau de dopage des couches peuvent
être précisément contrôlés via un control exact du flux du jet atomique. Le
substrat est monté dans un bloc et subit une rotation continue pour
promouvoir une croissance cristalline uniforme sur sa surface.
Cette méthode offre un avantage qui est le contrôle de la croissance en
temps réel grâce à l’utilisation in situ de la diffraction d’électrons de haute
énergie en incidence rasante (RHEED).
Figure II-8 : évaporation des matériaux sur le substrat[Molecular Beam Epitaxy ; Wikipedia]
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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38
Le bâti est constitué de trois chambres :
Chambre d’introduction : c’est la chambre où le substrat GaSb sera
introduit pour subir un dégazage.
Chambre de stockage : c’est là où seront mis les échantillons
précédents. Le vide dans cette chambre est de l’ordre de 10-9 Torr.
Chambre de croissance : c’est la principale, car c’est là que se déroule
l’épitaxie. Le vide est de l’ordre de10-10 Torr. On trouve dans cette
chambre plusieurs cellules à effusion contenant différents matériaux
solides purs (Ga, In, Al, As, Sb). Ces matériaux seront déposés sur le
substrat après avoir été transformer en gaz par chauffage. [2]
Figure II-9 : la chambre de croissance [Boissier G., Rapport interne 1997]
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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39
3.2 Déposition Chimique en Phase Vapeur par OrganoMétalliques
(MOCVD) :
La MOCVD est devenue l’une des techniques les plus utilisées pour la croissance
en épitaxie pour les semi-conducteurs en couches minces et des dispositifs à
l’échelle commerciale. La technologie a établi sa capacité à produire des couches
épitaxiées de très bonnes qualités, et à croître des structures multicouches avec
des épaisseurs aussi fines que quelques couches atomiques, particulièrement
pour les composés semi-conducteurs III-V.
Le processus de croissance par MOCVD (déposition chimique en phase vapeur
par organométalliques) est basée sur la pyrolyse des organométalliques (éléments
III) dans une atmosphère d’hybrides (éléments V).
La quantité des organométalliques et les gaz hybrides est introduite dans une
chambre à réaction dans laquelle le substrat est déposé sur une suscepteur
chauffé. Ce dernier exerce un effet catalytique sur la décomposition des produits
gazeux, tel la cristallogenèse des semi-conducteurs qui a lieu dans cette région
chaude. Le système de transport de gaz inclut les sources d'alkyl et d'hydrure et
les valves, des pompes, et d'autres instruments nécessaires pour commander les
écoulements et les mélanges de gaz. L'hydrogène (H2), l'azote (N2), l'argon (Ar), et
l'hélium (He) sont les gaz porteurs inertes les plus communs utilisés dans le
processus de croissance de MOCVD. [3]
Figure II-10 : Principe de Déposition Chimique en phase Vapeur par OrganoMétalliques[MetalOrganiqueChemicalVapour Deposition ; Wikipedia]
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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40
Les sources alkyliques sont des composés métallo-organiques (ou
organométalliques) qui sont des liquides ou des solides finement écrasés contenus
dans un cylindre d'acier inoxydable appelé un barboteur. La chambre de réacteur
est faite de quartz ou d’acier inoxydable et contient un bloc sur lequel la plaquette
du substrat est déposée. Ce bloc peut être chauffé en utilisant une des trois
méthodes suivantes : Chauffage par induction de RF, chauffage radiatif (de
lampe), ou chauffage par résistance.
Le procédé de la MOCVD n'est pas un processus à équilibre. La thermodynamique
peut seulement définir certaines limites pour le processus de croissance par
MOCVD et ne peut pas fournir n'importe quelles informations au sujet du temps
requis pour atteindre l'équilibre, les étapes réelles impliquées dans la poursuite de
l'état de plus basse énergie, ou les taux des divers processus se produisant
pendant la transition des gaz initiaux au solide final de semi-conducteur. Ces
problèmes peuvent seulement être traités en termes de cinétique.
La technique de croissance MOCVD a été prouvée avantageuse dans la
croissance des multi-heterostructures, une polyvalence élevée, uniformité élevée
de composition, morphologie du matériau, interfaces fines, et la capacité de
contrôler la composition du solide tout en maintenant le bon accord de maille.
Cependant, la MOCVD souffre d’une forte toxicité, elle est inflammable,
pyrophorique, et la nature corrosive des réactifs (tels que l'arsine et la phosphine)
et des sous-produits.
3.3 Metal Organic Molecular Beam Epitaxy (MOMBE):
L’utilisation des techniques de croissance à vide-poussé offre plusieurs avantages
pour la conception de dispositifs semi-conducteurs. La MBE était la méthode la
plus dominante pour la croissance des différentes structures des dispositifs semi-
conducteurs. Cependant, cette méthode trouvait des difficultés en présence de
composants incluant le Phosphore. Ou encore des défauts surfaciques générés
par l’utilisation des cellules à effusion avec des éléments III, ainsi que plusieurs
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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41
difficultés liées à la grande distance entre le substrat et la source ou de croitre des
dispositifs contenants deux éléments V.
En réponse à ces problèmes, le remplacement des sources à éléments III avec
des sources gazeuses, principalement des composants métalorganiques, était
initié en créant une nouvelle technique hybride appelée Metalorganique MBE
(MOMBE).
La MOMBE (Metal Organic Molecular Beam Epitaxy), qui combine la MBE et la
MOCVD, est exploitée pour être une méthode prometteuse pour la croissance de
système de matériaux ayants deux élément V, comme est notre cas avec le
matériau InGaAlAsSb. Les sources sont des liquides ou des solides fins avec un
bon control de la pression de vapeur.
Les sources utilisées sont : TMIn (TriMethylIndium), TEGa (TriEthylGallium), TMAl
(TriMethylAluminium) et TIBAl (TriIsoButylAluminium) comme sources du groupe III
et les solides As (As4), Sb (Sb4), TEAs (TriEthylArsine) et TESb (TriEthylStribine)
comme sources du groupe V. TEAs et TESb sont introduits dans la chambre de
croissance à travers une cellule de craquage (800°C). Le substrat utilisé est le
GaSb (001) dopé au Te. [4]
3.4. Epitaxie en Phase Liquide :
L’épitaxie en phase liquide (LPE :Liquid Phase Epitaxy) est une technique de
croissance qui implique la précipitation de matériau à partir d’une solution liquide
sur un substrat.
Le réacteur de la LPE inclue un système de four horizontal et un canot coulissant
en graphite comme le montre la figure ci-dessous.
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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42
Le dispositif est assez simple, une excellente qualité et une bonne pureté des
couches peuvent être obtenues.
La LPE a été utilisée pour croître la solution solide InGaPAsSb sur un
substrat GaSb à partir d’un bain fondu antimoine (Sb) dans l’ordre
d’empêcher la dissolution du substrat et de réduire la concentration des
défauts stochiométriques.
Les couches monocristallines de GaSb (100) dopées au Tellure sont utilisées
comme substrat.
Ce substrat est fixé à un creuset qui peut se déplacer longitudinalement et il
peut être de même nature ou de nature différente que le cristal mais avec la
même structure cristalline.
La composition des couches qui sont développés sur les substrats dépend
surtout de l’équilibre du diagramme de phase et sur l’orientation des
substrats. Ce bain fondu est placé dans un creuset en graphite et est glissé à
l’intérieur d’un four chauffé qui se trouve à une atmosphère convenable.
Une fois la solution refroidie, elle sera retirée et déposée sur le substrat. Les
trois paramètres majeurs qui peuvent affecter la croissance sont la
Figure II-11 : Dispositif de la LPE. [3]
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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43
composition du fondu, la température de croissance et la durée de la
croissance.
Les avantages de la LPE sont la simplicité de l’équipement utilisé, grand taux
de déposition, faible concentration de défauts, excellent control de
stoichiometrie et la grande pureté qui peut être obtenue. Les impuretés
élémentaires du fond sont éliminées par l’utilisation de métaux de haute
pureté et par le processus de purification inhérent produit durant la transition
de la phase liquide à la phase solide.
Les inconvénients de la LPE incluent une faible uniformité de l’épaisseur, une
forte rugosité de surface, effet de retour du fondu, et le taux élevé de
croissance qui empêche la croissance des structures multicouches avec des
interfaces brusques. [3]
4. Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons passé en revue les propriétés énergétiques des
matériaux quinaires InGaAlAsSb, InGaPAsSb et InGaNAsSb et leur intérêt
qui réside dans le fait de posséder un degré de flexibilité en plus (3 degrés)
par rapport aux quaternaires, ce qui permet de varier les paramètres tels que
les band offsets de conduction et de valence en fixant le paramètre du réseau
et l’énergie du gap. Et par conséquent atteindre des longueurs d’ondes
supérieures à 3 m.
D’après les calculs effectués sur le gap des alliages quinaires cités plus haut,
on peut déduire que le système le mieux adapté à la conception d’un laser
émettant dans l’infrarouge moyen est l’hétérostructure à base de InGaAlAsSb,
où il sera utilisé comme barrière dans une hétérostructure à puits quantique.
Ce choix de matériau est dû au fait que les deux quinaires InGaPAsSb et
Chapitre II Les antimoniures Quinaires
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InGaNAsSb présentent un inconvénient principal lors de la croissance, qui est
la difficulté de contrôler la composition de trois éléments V.
Dans ce chapitre, nous avons aussi décrit les différentes méthodes de
fabrication des différents alliages quinaires.
Aussi, il est à savoir que le matériau choisi offre un avantage concernant les
performances du laser qui seront illustrées dans le chapitre suivant.
References:
[1] : I. Vurgaftman and J. R. Meyer ; Naval Research Laboratory,
Washington ; Applied Phsics Review.
[2] : R. Teissier, P. Christol., A. Joullié., Université de Montpellier (CEM2),
Nouveaux lasers à semi-conducteurs pour le moyen Infrarouge.
[3] : Semiconductors Nanostructures for Optoelectronic Applications, Todd
Stainer.
[4] : Topics in growth and devices Processing of III-V Semiconductors ; S. J.;
Pearton ; C. R. Abernathy ; F. Ren.
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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Chapitre III_________
Les Lasers à Puits Quantiques InGaAlAsSb
_______
1. Introduction
2. Emission laser
3. Les hétérostructures
3.1. Hétérostructures
3.2. Hétérojonctions
3.3. propriétés des structures bidimensionnelles
3.4. propriétés des structures à multi puits quantiques
3.5. Propriétés des structures à cascades quantiques
4. Système quantifié particulier de InGaAlAsSb / GaSb
4.1. Effet de la contrainte sur le gap
5. Optimisation des paramètres du Laser
5.1. Facteur de confinement optique
5.2. Gain optique
5.3. Puissance laser
6. Conclusion
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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1. Introduction :Puissants et faciles à utiliser, les lasers fonctionnant dans le moyen
infrarouge, sont très importants dans une variété d’applications militaires,
biomédicales, environnementales et industrielles incluant la télédétection
de traces de gaz. Le premier laser, dans le moyen infrarouge, à succès
était avec une région active à structure double hétérojonction. Mais
présentait une faible performance comme un fort courant de seuil, une
faible puissance et un faible fonctionnement à température ambiante.
L’utilisation d’une région active à Puits Quantiques augmente la
performance des dispositifs lasers. Cependant les lasers Moyen IR à puits
quantiques de type I à base de quaternaire InGaAsSb/AlGaAsSb ont
entraîné une dégradation de leurs performances.
Ceci est essentiellement dû à la diminution de bande offset de valence à
mesure que la longueur d’onde augmente ce qui se traduit par la réduction
du confinement des trous.
Afin d’améliorer l’alignement de bande et donc le confinement des trous,
une couche de quinaire InGaAlAsSb peut être utilisée comme barrière
dans la structure puits quantiques avec InGaAsSb comme puits.
Avant d’aborder la notion d’hétérostructures et des lasers à puits
quantiques on commencera par une description du principe de l’émission
laser.
2. Emission laser :
Le principe du laser repose sur l’interaction entre le milieu atomique et le
rayonnement électromagnétique. La lumière est produite par des
transitions électroniques qui correspondent au déplacement d’un électron
entre deux niveaux d’énergie.
La création d’un faisceau laser se fait suivant trois conditions. En premier,
le système doit comprendre un matériau optiquement actif. En deuxième
lieu, ce matériau doit être placé à l’intérieur d’une cavité Fabry-Pérot
constituée de deux miroirs placés l’un en face de l’autre.
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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En dernier, une inversion de population devra être générée. Celle-ci est
obtenue par pompage électrique ou thermique. En recevant plus
d’énergie, les électrons se déplaceront vers l’état excité et peuplent le
niveau d’énergie élevé (bande de conduction). Ainsi le passage d’un
photon dans la cavité provoque l’émission stimulée d’un photon de même
énergie.
Absorption : dans ce processus on ne considère que les
interactions de la lumière avec les deux états dont la différence
d’énergie satisfait à la relation :
E = E2 – E1 = h
Si l’atome se trouve dans l’état énergétique le plus faible E1, il
peut absorber un photon et donc atteindre le niveau d’énergie
supérieur E2.
Dans le cas où l’atome se trouve déjà dans le niveau supérieur,
deux processus peuvent se produire.
Emission spontanée : l’atome retourne à l’état inférieur en
émettant un photon de fréquence. Le flux émis par émission
spontanée est indépendant de l’amplitude du champ
électromagnétique incident ; il est proportionnel au nombre
d’atomes dans l’état excité.
Emission stimulée : un photon est émis par émission spontanée.
Ce dernier va rencontrer un électron excité qui va émettre un
deuxième photon qui transporte la même énergie.
Les deux photons émis peuvent désexciter d’autres atomes et
générer une réaction en chaîne impliquant une multiplication de
photons dans le milieu actif.
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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La plupart des lasers à semi-conducteurs fonctionnent grâce à la
résonance optique créée par les interférences d’une cavité Fabry-Pérot.
3. Hétérostructures:
3.1. Hétérostructures :
Une hétérostructure est un ensemble de semi-conducteurs différents de gapsdifférents. Ce qui se traduit par une différence de potentiel qui tend à confinerles électrons et les trous dans le semi-conducteur dont la bande interdite estla plus petite. Pour avoir une bonne hétérostructure il faut que les deux (ouplus) semi-conducteurs aient la même structure cristalline et des paramètresde maille voisins.
On distingue deux types d’hétérostructure (figure 2). Si les électrons et les
trous sont confinés dans le même semi-conducteur on a une hétérostructure
de type I. Mais si les porteurs de charge sont spatialement séparés on parlera
donc d’une hétérostructure de type II.
Figure III-1 : Principe d’émission laser
Absorption Emissionspontanée
Emissionstimulée
Bc
Bv
Bc
Bv
Figure III-2: Hétérostructure : a) type I ; b) typeII
(a) (b)
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3.2. Hétérojonction :
Une hétérojonction est par définition une jonction entre deux semi-
conducteurs de gaps différents.
On peut distinguer deux types d’hétérojonction. On a une hétérojonction
isotype lorsque les deux semi-conducteurs ont le meme type de
conductivité. Et quand le type de conductivité est différent on parle alors
d’une hétérojonction anisotype.
Dans une hétérojonction les porteurs de charge sont déplacés dans la
zone de charge d’espace, tandis que dans une double hétérojonction ils
piégés dans un puits quantique. ( voir figure 3)
Quant aux photons, ils sont confinés par les barrières optiques associées
aux différentes valeurs des indices de réfraction. Dans un semi-
conducteur à petit gap, l’indice de réfraction est plus important que celui
du semi-conducteur à grand gap.
Figure III- 3 : a) Simple hétérojonction ; b) Double hétérojonction
pGaAs
nGaAs
2µm
Indi
cede
réfr
actio
n
0.1µm(a)
pAlxGa1-xAs
nAlxGa1-xAs
pGaAs
5%
0.5µm
Indi
cede
réfr
actio
n
(b)
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3.3. Propriétés des structures bidimensionnelles
3.3.1. Structure simple puits quantique [3] :
Dans les puits quantiques, la région active est incorporée entre deux
zones de confinement optique. Les couches du puits quantiques ont une
faible énergie de gap mais un indice de réfraction important. Donc les
porteurs sont confinés dans le puits pendant que le rayonnement émis est
confiné à l’intérieur des couches guide d’onde.
En utilisant différentes couches, différentes structures puits quantiques
peuvent être réalisées. Il existe deux types de structures puits quantiques
qui se différentient par l’alignement des bandes d’énergie des
hétérostructures à puits quantiques utilisées dans les structures laser
moyen IR.
Structure Puits quantique type I :
Dans la structure puits quantiques type I,
les bandes de conduction et de valence
du puits sont placées entre celles de la barrière.
Les porteurs d’électrons et de trous sont confinés
dans le matériau puits de la structure.
3.1.2. Structure puits quantiques type II :
L’alignement de bande dans une structure
puits quantiques type II est comme montré
dans la figure (III-4.b). La bande de conduction du
matériau puits est placée entre la bande de
conduction et la bande de valence du matériau
barrière.
(a)
e1
hh1
BC
BV
Type I
SC1 SC2SC2
Type II
e1
hh1 hh1
BC
BV
SC1 SC2SC2
(b)
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Les porteurs d’électron et de trou confinés dans le puits quantique sont
spatialement séparés, et la recombinaison radiative correspond aux
transitions entre les électrons de la bande de conduction dans le puits et les
trous de la bande de valence du matériau barrière.
Structure puits quantique type III :
Un cas particulier du type II est celui avec une
bande de conduction qui se trouve au dessous de
la bande de la valence.
Avec ce type de structure, l’énergie la plus faible
des transitions radiatives indirectes peut être, en
principe, réduite à zéro par l’augmentation de la
largeur du puits quantique.
3.3.2. Structure double puits quantiques: La structure à double puits
quantiques est, comme son nom l’indique, un couplage de deux simples puits
quantiques comme illustré sur le schéma ci-contre :
BC
BV
ΔEc
ΔEv
SC2 SC2SC2SC1 SC1
L1 L1L2
Figure III- 5: Structures à double PuitsQuantiques
BC
BV
Type III
SC1 SC2SC2
e1
hh1 hh1
(c)Figure III-4 : Structure simple puits quantique
(a) ; (b) ; (c)
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Si l’épaisseur L2 du semi-conducteur 2 est supérieure à la longueur d’onde de
DeBroglie, les deux semi-conducteurs sont indépendants. Par contre si L2 est
plus faible, alors dans ce cas les états électroniques du puits 1 et du 2 seront
couplés par effet tunnel.
3.4. Propriétés des structures Multi Puits Quantiques :
Les structures multipuits quantiques sont constituées d’une série alternée SC1
et SC2. Si les couches L1 du SC1 sont de l’ordre de 100Å alors les états
électroniques dans chacun des puits sont quantifiés et présentent une
structure de sous bandes d’énergie. Si les couches du SC2 sont plus épaisses
(L2 >200Å), alors la probabilité pour qu’un électron passe d’un puits à un
autre par effet tunnel est faible.
L'énergie de transition entre les états liés dans la bande de valence et la
bande de conduction sera déduite par la relation suivante :
E = Ee + Ehh + Elh + Eg
avec Eg représente l’énergie de la bande interdite du matériau puits ; Ehh, E lh
sont respectivement l’énergie de bandes trous lourds et trous légers.L'énergie nécessaire à la formation d'un exciton est donnée par 1'expression :
E = Eg + Ee + Eh - Eb
Figure III-6: Structure à multipuits quantiques de type I
e
hhlhBv
Bc
SC1 SC1 SC1 SC1SC2 SC2 SC2
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3.5. Propriétés des structures à Cascade Quantique : [1]
La structure en cascade quantique utilise le principe de l’unipolarité. Ce
principe repose sur le fait qu’un seul type de charge circule à travers toute la
structure. La transition radiative des lasers à cascade quantique est basée sur
une émission intrabande entre niveaux de conduction des puits quantiques
de la région active.
Le principe de Cascade consiste à recycler chaque électron ayant émis un
photon en le faisant passer à travers un injecteur qui les conduit à un autre
ensemble de puits quantiques actifs. Les épaisseurs des puits quantiques
constituants les zones d’injection sont choisies de façon à aligner leurs
niveaux d’énergie fondamentaux pour une certaine valeur du champ
électrique appliqué. Ainsi, un seul électron conduit à l’émission de plusieurs
photons.
Figure III-7 : Profile de bande de conduction d’un laser à cascade quantiquesous polarisation
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4. Système quantifié particulier de InGaAlAsSb / GaSb :
Dans ce travail de thèse, le but consiste à évaluer la performance des lasers
à puits quantiques de type I émettant dans la gamme du moyen infrarouge.
Un système de puits quantiques de type I à base de quaternaire
InGaAsSb/AlGaAsSb a été récemment étudié afin d’être utilisé dans la
spectroscopie d’absorption pour la détection de traces de gaz.
Cependant ce système présente une dégradation rapide des performances
du laser pour des longueurs d’onde supérieures à 3m. Pour éviter ce
problème, une couche de quinaire InGaAlAsSb peut être utilisée comme
barrière avec un puits quantique InGaAsSb sur du GaSb comme substrat.
4.1. Effet de la contrainte sur le gap :
La juxtaposition de couches semi-conductrices, de même structure cristalline,
mais de paramètre de maille différent, induit la déformation de l’une des
couches (matériau) pour s’adapter à l’autre couche (substrat).
Le tenseur de déformation du cristal dans le cas de déformation biaxiale
est [2]:
(1)
(2)
Où ap et ab désignent les paramètres de maille des matériaux puits et barrière
respectivement. En appliquant la théorie de l’élasticité, on peut écrire des
relations constitutives entre le tenseur d’élasticitéC , de contrainteet
déformation:
lk
klklijij C,
, (3)
zz
yy
xx
0000
00
p
bpyyxx a
aa
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Dans le cas d’un matériau linéaire :
zzzzzzyyyyzzxxxxzzzz CCC ,,, (4)
12,, CCC yyzzxxzz ; 11, CC zzzz
Hors la pression atmosphérique, qui sera négligée, le matériau ne subit aucune
contrainte ; donc σzz = 0.
Ainsi :
Si le paramètre du matériau puits est supérieur à celui de la barrière, la
contrainte est une compression, sinon elle est extensive.
En présence d’une compression on aura un éclatement des sous bandes
d’énergie et l’augmentation de la bande interdite.
Dans le cas d’une tension, on a un déplacement des sous bandes (lh au
dessus de hh) et diminution de la bande interdite.
xxzz CC
11
12 (5)
Bande de conduction
Bande de valence
hhlh
Eg
Non- contraint Compression Tension
lh
hh
Eg
Eg
lh
hh
Figure III-8 : Influence de la contrainte sur le gap
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Les calculs effectués sur le désaccord de maille, en fonction de la
composition en arséniure (As) des deux matériaux de la zone active, sont
représentés dans le graphe suivant :
En fixant les concentrations du puits (InGaAsSb) ainsi qu’en In et Al de la
barrière (InGaAlAsSb), on a tracé la variation de la déformation en variant la
concentration en As du matériau quinaire. Nous avons donc deux zones de
contraintes comme on peut le voir sur la figure 9. La première désigne la zone
de tension pour une concentration en As inférieure à 0.078 et pour une
concentration en As supérieure, le matériau est contraint en compression.
Pour une concentration en As de 0.078 le matériau n’est pas contraint.
La structure choisie dans notre étude est la structure à multi puits quantiques,
car celle-ci nous permet de choisir la bonne longueurs d’onde en jouant sur
certains paramètres tel que :
Figure III-9 : Désaccord de maille en fonction de la composition en As
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
-0,25
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Déf
orm
atio
n
z en As
xx
zz
In0.8
Ga0.2
As0.29
Sb0.71
/InxGa
1-x-yAl
yAs
zSb
1-z
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La multiplication du nombre de puits ;
La largeur du puits ;
La longueur de la bande interdite ;
La composition de la zone active.
Une bonne structure à multi puits quantiques nécessite un alignement du
type-I. Pour cela, il faudrait que les bandes offset de conduction (ΔEc) soient
supérieures à 300mev et les bandes offset de valence (ΔEv) soient
supérieures à 100mev.
Nous avons fait cette étude sur les bandes offset, en prenant le matériau
quinaire InxGa1-x-yAlyAszSb1-z comme barrière avec le matériau quaternaire
InxGa1-xAsySb1-y comme puits, sur plusieurs échantillons.
Nous avons donc pris deux cas où on a un puits fixe et en variant la barrière.
Pour le puits InxGa1-xAsySb1-y (x=0.7 ; y=0.07) fixe nous avons tracé la
variation du band-offset de conduction pour deux barrières ayant les même
compositions en In et Al mais différentes en As :
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ΔE c
(meV
)
Figure III-10: Variation de ΔEc en fonction de la largeur du puits In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93
Figure III-11: Variation de ΔEc en fonction de la largeur du puits
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.2As0.3Sb0.51
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.07Sb0.88
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.55Sb0.4
Figure III-11: Variation de ΔEc en fonction de la largeur du puits In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71
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Le graphe ci-dessus illustre la variation du band offset de conduction pour le
puits fixe InxGa1-xAsySb1-y (x = 0.8 ; y= 0.29) et pour les différentes
composition de la barrière quinaire InxGa1-x-yAlyAszSb1-z .
En comparant les deux graphes, on s’aperçoit que dans le deuxième, avec la
structure contenant le puits In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71 avec les différentes
barrières, le band offset de conduction est plus large et la meilleure structure
est In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.2As0.3Sb0.70. Et on remarque aussi sur
le tableau que cette structure nous permet d’avoir la transition de type I car on
a la condition ΔEc > 300mev et ΔEv >100mev.
On peut par la suite tracer la variation de la longueur d’onde émise en
fonction de la largeur du puits pour différentes barrières :
On remarque que la longueur d’onde est proportionnelle à la largeur du puits ;
et pour la structure In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/In0.2Ga0.8Al0.2As0.3Sb0.5 avec une
largeur de puits jusqu’à 16 nm on est à 3.2µm.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
Même puits barrières différentes
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.2As0.3Sb0.51
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.07Sb0.88
(µ
m)
Lz (nm)
___ In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.55Sb0.4
Figure III-12:Longueur d’onde en fonction de la largeur du puits In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71
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Rappelons que l’étude sur ce matériau est faite afin d’améliorer les
performances du laser à base d’un système quaternaire
InGaAsSb/AlGaAsSb. Pour avoir un système plus performant on s’est
proposé d’ajouter un cinquième élément (In) à la barrière et on a remarqué
que le quinaire nous offre plusieurs avantages comparés au quaternaire
AlGaAsSb.
On remarque qu’avec une barrière quaternaire on a un faible band-offset de
valence et donc un faible confinement des trous et par conséquent un courant
de fuite élevé. Avec la barrière quinaire on constate q’on a une meilleure
émission (λ>3µm) et un meilleur confinement des trous et donc diminution du
courant de fuite.
Al0.35Ga0.65As0.03Sb0.97(barrière Quaternaire)
Al0.20Ga0.60In0.20As0.19Sb0.81(barrière Quinaire)
Figure III-13 : Comparaison des structures à base de barrière quaternaire et quinaire[Performance Evaluation of Conventional Sb-Based MQW Lasers operating above 3μmat Room Temperature A.Kadri, K.Zitouni, Y.Rouillard , P.Christol Springer Proceedings inPhysics 119, p. 135 (2008).]
Figure 17 : Variation de la longueur d’onde en fonction de la largeur du puits.
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Ce dernier point est du à l’augmentation du band-offset de valence et par la
suite une durée de vie des trous plus longue que celle dans la barrière
quaternaire. La variation du rapport de la durée de vie (quinaire / quaternaire)
est illustrée sur le graphe suivant en fonction de la température pour les deux
matériaux. Et on peut constater que la durée de vie des trous dans la barrière
quinaire est supérieure à celles des trous dans la barrière quaternaire (τquin>
τquat).
A partir de cette étude on peut présenter notre dispositif à structure Multi Puits
Quantiques.
Notre système InxGa1-xAsySb1-y /InxGa1-x-yAlyAszSb1-y-z / GaSb se présente
sous la structure suivante :
InxGa1-xAsySb1-y
InxGa1-x-yAlyAszSb
Figure III-15 : structure de bande de laser avec unebarrière de InGaAlAsSb.
Figure III-14 : Variation du rapport de durée de vie des trous (τquin/ τquat) en fonction dela température. [Performance Evaluation of Conventional Sb-Based MQW Lasers operatingabove 3μm at Room Temperature A.Kadri, K.Zitouni, Y.Rouillard , P.Christol SpringerProceedings in Physics 119, p. 135 (2008).]
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Pour notre étude on considère que le puits est sous compression à
1.5%.Donc le dispositif de notre laser comportera une zone active de type I
(figure7), avec comme puits InxGa1-xAsySb1-y pour les compositions
0.1< x < 0.8 ; 0< y < 0.5 et comme barrière InxGa1-x-yAlyAszSb1-z pour les
compositions 0.2 x 1; 0 y 1; 0 z 0.6.
La couche intercalaire sera à base du matériau quaternaire AlxGa1-xAsySb1-y
dopé n car avec l’aluminium on aura un faible indice de réfraction.
Un avantage de cette structure est que le recuit thermique peut être effectué
sur la structure sans aucune ségrégation importante de In (diffusion de In du
puits vers la barrière).
Notre dispositif laser se présente comme l’indique la figure 10.
Le substrat utilisé est le GaSb dopé n au Tellure (Te).
La couche intercalaire dopée (n) est en connexion électrique avec une
couche métallique comprenant une couche de Palladium (Pd), une couche de
Platine (Pt) et une couche d’Or (Au) au dessus.
La couche de passivation protège le composant de l’extérieur.
Couche de passivation (n)
Zoneactive
Miroir arrière
V
V
Face rugueuselatérale Métallisation (-)
IMiroir avant
Métallisation du contact (+)
Couche intercalaire (AlGaAsSb n)
Barrière (InGaAlAsSb)
Puits (GaInAsSb)Barrière (InGaAlAsSb)
Couche tampon ( p)Substrat (n)
Figure III-16 : Dispositif du laser à puits quantique à base de quinaireInGaAlAsSb.
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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La couche tampon permet d’absorber les impuretés et de rattraper le
désaccord de maille.
La structure est telle que les couches métalliques soient en contact avec la
couche intercalaire pour injecter le courant dans le dispositif.
Le courant injecté produit une émission de photons à partir de la zone active.
Ces photons sont piégés dans une cavité optique Fabry-Pérot produite par un
clivage des faces arrière et avant.
La zone active est soumise à un pompage optique, et va donner lieu à une
lumière, de longueurs d’onde comprises entre 2 et 5 μm, amplifiée par
émission stimulée.
5. Optimisation des paramètres du Laser
5 .1. Facteur de confinement optique :
Le facteur de confinement optique joue un rôle très important dans les
structures à puits quantiques, il nous renseigne sur l’efficacité du
recouvrement :
2)(
)(
2
2
2
2
DD
dzz
dzzd
(6)
avec (z) représente le champ électromagnétique, d l’épaisseur de la zone
active et D l’épaisseur normalisée du guide d’onde est donnée par la relation
suivante :
2/1222 )(
2effnndD
(7)
où n2 est l’indice de réfraction de la couche active, neff l’indice effectif du mode
qui se propage dans le guide d’onde et la longueur d’onde du rayonnement
émis.
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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Dans un puits quantique le facteur de confinement W est défini comme le
couplage de l’onde lumineuse avec le milieu à gain.
(8)
Où NW est le nombre de puits quantiques de la structure et LW la largeur du
puits.
5. 2. Gain optique
Le gain optique est défini par la variation relative de la densité de
rayonnement par unité de longueur.
dxEd
EEg
)()(
1)(
(9)
(E) : le flux de photons au cours d’un trajet de longueur x dans le matériau.
Le gain optique est donné par l’expression suivante :
](])()([)(1,
,2 mngmn
mv
ncmnd HHEEhHhfhfIhg
(10)
avec 2d est le coefficient d’absorption d’un puits quantique à population
nulle :
(11)
où λ0 est la longueur d’onde d’émission dans le vide, n indice moyen dans la
zone active, ε0 constante diélectrique effective du matériau, mr la masse
réduite des électrons et des trous, d l’épaisseur de la zone active et xvc
l’élément de matrice dipolaire pour un matériau massif.[3]
WW
WN
i WL
Wmp Ndzz
dzz
2
1
2
)(
)(
dnmxq
sc
rvcd 2
00
22
22
vcmr mmm111
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65
fc, fv sont les fonctions de distribution de Fermi-Dirac pour les électrons de la
bande de conduction et les trous de la bande de valence, respectivement, qui
sont données par les formules suivantes:
TBkcEfkcEcce
kEf/))((1
1))((
TBkvEfkvEvv ekEf
/))((11))((
Le gain modal de la structure est défini comme le produit entre le facteur de
confinement et le gain maximal gmax:
G = g max (13)
Ainsi le gain maximal varie avec la concentration surfacique en porteurs.
gmax = g0 ln (N/Ntr) (14)
Où N la concentration de porteurs injectés, Ntr est la concentration à la
transparence et g0 est le coefficient de gain qui dépend de la structure.
Pour l’étude de la variation du gain maximal, nous avons choisi les meme
échantillons utilisés dans l’étude des band offset ; c'est-à-dire pour le cas de
puits fixes puis pour le cas de barrière fixe.
Le premier cas est celui où on a un puits fixe (In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93) et
deux barrières différentes : on peut remarquer sur le graphe au dessous que
le changement de la barrière n’influe pas ni sur la densité de porteurs seuil
(1.62 1018 cm-2) ni sur le gain (≈180 cm-1)
(12)
Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques
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66
Le deuxième cas est celui où on a un puits fixe
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71 avec trois différentes barrières :
1,50E+018 1,52E+018 1,54E+018 1,56E+018 1,58E+018 1,60E+0180
100
200
300
400
500
In0.7
Ga0.3
As0.07
Sb0.93
/ In0.2
Ga0.8
Al0.05
As0.55
Sb0.4
In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.07Sb0.88
Ga
inM
ax(c
m-1)
N (cm-3)
Figure III-17: Gain max en fonction de la densité seuil pour In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93
1,86E+018 1,88E+018 1,90E+018 1,92E+018 1,94E+0180
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.55Sb0.4
In0.8
Ga0.2
As0.29
Sb0.71
/ In0.2
Ga0.8
Al0.2
As0.3
Sb0.5
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.07Sb0.88
Gai
nm
ax(c
m-1
)
N (cm-3)Figure III-18: Gain max en fonction de la densité seuil pour In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71
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Dans ce cas nous remarquons aussi que le changement de la barrière n’influe
pas sur le gain.
Le troisième cas on a établie une comparaison entre les deux puits
choisis en maintenant la même barrière :
On constate alors qu’on a une concentration en porteurs minimale à partir de
la quelle il y’a émission du laser. C'est-à-dire qu’avec une structure ayant
In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93 comme puits la concentration en porteurs est moins
importante qu’avec une structure en In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71 .
1,40E+018 1,60E+018 1,80E+018 2,00E+018 2,20E+0180
200
400
600
800
1000
In0.7Ga0.3As0.07Sb0.93/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.55Sb0.4
In0.8Ga0.2As0.29Sb0.71/ In0.2Ga0.8Al0.05As0.55Sb0.4
Gai
nM
ax(c
m-1)
N (cm-3)
Figure III-19: Gain max en fonction de la densité seuil pour la même barrière etdeux puits différents.
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5.3. Courant de seuil :
Le courant de seuil est un paramètre important dans les diodes laser.
La condition du courant de seuil pour un laser exprime que le gain d’émission
stimulée compense les pertes, et que le dispositif fonctionne comme un auto-
oscillateur aux fréquences optiques.
Les expressions du courant de seuil et la densité de porteurs sont données
par:
seuil
ZseuilN
eLJ (15)
)1()()(11
0 RLnL
dNdg
dNdgNN seuil
(16)
Où : désigne la durée de vie des porteurs, coefficient d’absorption et
)1
(1
RLn
Lpertes de la cavité.
La variation du courant de seuil en fonction de la température est décrite par
la relation suivante :
Jseuil(T)=Jseuil(T1)exp[(T-T1)/T0] (17)
Figure 16: Courant de seuil en fonction de T[Continuous-wave room temperature operated 3.0 m type I GaSb-based lasers with
quinternary AlInGaAsSb barriers;T. Hosoda, G. Belenky, L. Shterengas, G. Kipshidze, andM. V. Kisin; APL 92;091106 (2008)]
240 250 260 270 280 290
0,01
0,1
1
T1=217K
T0=58K
J seui
l[A
]
T [K]
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69
A partir de cette figure on peut déduire qu’à une température très proche de
l’ambiante, nous avons un courant de seuil de l’ordre de 0.6 A.
5. 4. Puissance laser
La puissance optique externe est donnée par le produit de la densité de
photons s dans la cavité, par l’énergie portée par chaque photon, par le
volume effectif du mode et par le taux d’échappement des photons hors de la
cavité, donc elle est donnée par l’expression suivante :
)')()()(( mext cd
Lwshp
(15)
Avec LW est la largeur de la cavité laser, h constante de Planck, est la
fréquence d’émission du laser, m sont les pertes miroir de la cavité laser de
longueur L qui est la fuite des photons par les miroirs.
)('
1seuil
seuili JJ
cqds
(16)
21
1ln
21
mmm RRL (17)
Lorsque l’intensité du courant est définie par I=JLW et le rendement quantique
externe est donné par
)/1ln()/1ln(
mp
mi
pm
miext RL
R
(18)
donc l’expression de la puissance devient comme suit :
)( seuilextext IIq
hP
(19)
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70
Cette figure montre la variation de la puissance en fonction du courant de
seuil pour différentes températures.
6. Conclusion :
Les quinaires offrent une flexibilité en plus par rapport aux quaternaires.
Pour des valeurs de Eg et du paramètre de maille fixes on peut varier
d’autres paramètres du matériau à savoir l’indice de réfraction, le band-
offset de valence et de conduction, ce qui permet d’envisager la réalisation
d’hétérostructures Laser. On peut, ainsi avoir un contrôle sur la longueur
d’onde d’émission du dispositif (gap), ainsi que sur la contrainte entre les
couches.
Dans ce chapitre nous avons présentés les propriétés des hétérostructures
et ceci afin de choisir la bonne géométrie de la structure de notre dispositif .
Figure 17: Puissance du Laser en fonction du courant en (cw).[Continuous-wave room temperature operated 3.0 m type I GaSb-based lasers with
quinternary AlInGaAsSb barriers;T. Hosoda, G. Belenky, L. Shterengas, G. Kipshidze,and M. V. Kisin; APL 92;091106 (2008)]
Courant (cw) [A]
Pui
ssan
ce(c
w)
[W]
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71
Et par conséquent améliorer les performances du laser, c'est-à-dire le
rendement, le gain et la densité de courant de seuil.
Ainsi, à partir de cette étude on peut conclure que l’hétérostructure avec une
barrière quinaire InxGa1-x-yAlyAszSb1-z et un puits InxGa1-xAsySb1-y est idéale
pour la conception, à température ambiante, d’une diode laser à puits
quantiques de Type-I émettant à plus de 3µm.
Références :
[1] : Faist(J.),Capasso(F.),Sivco(D.),Sirtori (C.), Hutchinson (A.L.), Chu(S.N.G.) et Cho (A.), « Quantum CascadeLaser », Science 264, 553, 1994.
[2] : Nicolas TRENADO ; Université de ROUEN UFR des Sciences et
techniques ; thèse de doctorat ;2002.
[3] : Optoélectronique. E. Rosencher et B. Vinter (2ème édition). Dunod,
Paris (2002).
[4] : Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques par
H. F. R des sciences. Mathieu 4ième édition.
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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72
Chapitre IV :
Les applications du laser InGaAlAsSb
_________
1. Introduction
2. Interaction onde-matière dans la détection de gaz
3. Détection des gaz polluants
3.1. Principaux polluants3.2. Spectroscopie d’absorption
4. Applications environnementales
4.1. Métrologie des gaz polluants
4.2. Contrôle atmosphérique
4.3. Pollution locale
5. Applications médicales
5.1. Détermination des risques cardiaques
5. 2. Accidents cérébro-vasculaires
5. 3. Evaluation de la profondeur d’une brûlure
5. 4. Greffe de tissus
5. 5. La santé bucco-dentaire
6. Autres applications
6.1. Applications en télécommunications spatiales
6.2. Applications militaires
7. Conclusion
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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73
1. IntroductionLa spectroscopie à l’aide de lasers émettant dans l’infrarouge moyen présente un
grand potentiel pour la réalisation de capteurs de traces de gaz en nous offrant
une grande sensibilité, une particule par million (ppm) ou une particule par milliard
(ppb) mais aussi une bonne sélectivité et la possibilité d’effectuer des mesures
continues et en temps réel de la substance à quantifier.
Notre laser sera envoyé dans une région où nous avons une concentration de
gaz à analyser. Les ondes rétrodiffusées seront recueillies par un détecteur
infrarouge (photo-détecteur) qui procédera à l’analyse. Plusieurs détecteurs
procédant de la même manière ont apparu dans plusieurs applications dans
l’industrie, les usines et dans la détection des traces de gaz.
Notre étude est basée sur le développement d’un nouveau laser à semi-
conducteurs antimoniures quinaires capable de fonctionner à des longueurs
d’onde plus élevées afin d’avoir plus de précision sur la nature des gaz à analyser.
Dans ce chapitre nous citerons les applications de ce laser en passant par le
contrôle environnemental (atmosphère, laboratoires,…), domaine médicale, ainsi
que la sécurité militaire.
Avant d’étaler ces applications nous commencerons par une brève explication de
l’interaction onde-matière qui sera appliquée dans la détection de gaz.
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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2. Interaction onde – matière
L’atmosphère est constituée de gaz en proportions variables : azote, oxygène,
vapeur d’eau ou encore le gaz carbonique. Elle contient également des particules
en suspensions, poussières, gouttelettes d’eau, qui sont appelée aérosols.
Les interactions entre l’atmosphère et le rayonnement infrarouge relèvent de
deux phénomènes physiques essentiels :
L’absorption par les molécules des constituants gazeux de l’atmosphère.
L’absorption est due à l’entrée en résonance des molécules soumises à un
rayonnement dont la fréquence coïncide avec leur propre fréquence de vibration.
Ce phénomène, lié à la spectroscopie, est utilisé pour détecter, identifier et
mesurer des traces de gaz polluants tels le monoxyde d’azote , le méthane ou le
dioxyde de souffre.
Dans la diffusion, l’énergie enlevée au rayonnement par un élément matériel
(particule, molécule) sera réémise par ce même élément dans toutes les
directions avec conservation de la longueur d’onde. Ces rayonnements
rétrodiffusée seront absorbés par un détecteur qui fera une analyse et une
identification des constituants de l’atmosphère.
Il y’aura absorption, suivant les principes de la mécanique quantique, si l’énergie
du photon est la même que l’énergie correspondante au réarrangement
moléculaire de la cible à analyser. Ce qui se traduit par la relation :
h ν = ΔE (1)
où h νest l’énergie du photon et ΔE est l’énergie de transition.
L’énergie du rayonnement infrarouge va entraîner une vibration des atomes
autour de leur position d’équilibre.
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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75
3. Détection de gaz polluants
La détection des traces de gaz est une des techniques qui requiert des
sensibilités extrêmes.
3.1. Les principaux polluants :
Les oxydes d’azote :
Le monoxyde d’azote est dû aux réactions de combustion. En présence de
l’oxygène dans l’atmosphère, il est oxydé en NO2. Compte tenu de la forte
intensité de la circulation automobile existante en plus de la formation de l’ozone,
la concentration des dioxydes d’azote est en hausse.
De nos jours il existe plusieurs façons pour mesurer la concentration du NO2,
mais la plus précise d’entre elles utilise un laser infrarouge qui sera dirigé vers le
gaz, et les ondes rétrodiffusées seront capturées, analysées et identifiées par un
détecteur qui fonctionnera en infrarouge.
L’Ozone :
L’ozone joue un rôle très important dans notre vie, car c’est un gaz qui nous
protège du rayonnement ultra violet solaire. Mais d’un autre coté, il est le polluant
principal du fait qu’il soit issu de réactions chimiques de certains polluants avec
les rayonnements UV déjà filtrés.
Le Plomb (Pb) :
Le plomb est l’un des éléments les plus lourd présent naturellement dans
l’environnement. Le plomb utilisé dans l’essence, est ensuite brûlé dans les
moteurs des voitures, ce qui crée des sels de plomb. Ces derniers vont pénétrer
dans l’environnement par l’intermédiaire des fumés d’échappement des voitures.
Cependant il n’y a pas que l’essence au plomb qui contribue à l’augmentation de
la concentration dans l’environnement, d’autres activités tels que la combustion
de combustibles, des procédés industriels et la combustion des déchets solides.
Le plomb pénètre surtout par les voies respiratoires (sous forme de poussière ou
fumée), il a donc des effets indésirables sur le corps humains tels que :
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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- Perturbation de la biosynthèse de l’hémoglobine et anémie
- Augmentation de la tension artérielle
- Problèmes aux reins
- Perturbation de système nerveux
- Dommages au cerveau
- Perturbation du comportement des enfants
Le dioxyde de soufre (SO2) :
Le SO2 provient de la combustion des combustibles (fiouls, charbons,…). C’est
un gaz incolore qui est rejetés par de multiples sources comme les installations
de chauffage domestique, les véhicules à moteur diesel ou encore les centrales
de production électrique.
Il s’agit d’un gaz irritant pour l’appareil respiratoire ce qui peut entraîner une gêne
respiratoire chez les asthmatiques ou les enfants.
Dans l’atmosphère, le dioxyde de soufre se trouve sous forme d’acide sulfurique.
Cet acide, en association avec d’autres polluants, contribue à l’appauvrissement
des milieux naturels et à la détérioration des bâtiments.
Le monoxyde de carbone :
Le monoxyde de carbone (CO) est un produit de combustion incomplète des
carburants et des combustibles fossiles. Il est issu principalement des sources de
transport, les usines de transformation des métaux et le chauffage domestique et
industriel.
Le CO est un gaz polluant très toxique mais il n’a aucun effet néfaste sur la
végétation ou sur les bâtiments. En revanche, il a un effet nocif sur la santé de la
population, en particulier sur les personnes souffrant de maladies
cardiovasculaires. Ainsi, les symptômes qui peuvent apparaître chez les
personnes ayant été exposées à une forte concentration de CO sont :
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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- Trouble de vision ;
- Diminution de la dextérité
- Troubles moteurs
Les particules en suspension [8] :
Ces particules, sont un mélange de substances organiques ou minérales. Leur
émission dans l’atmosphère peut être naturelle ou anthropique (combustion de
diesel ou d’essence d’automobiles, chauffage,…).
Les conséquences de cette émission de particules sont les suivantes :
- Développement de maladies cardiovasculaires, respiratoires et cancer
des poumons ;
- Dégradation des bâtiments causée par les dépôts ;
- Arrêt de la respiration végétale.
Les composés organiques volatiles (COV) :
Les COV sont issues de sources diverses. On peut citer les solavants, composés
organiques provenants de procédés industriels de combustions ou émis par le
milieu naturel (foret).
Les effets concernant l’existence des COV sont les suivants :
- Contribution à la formation de l’ozone ;
- Contribution à l’effet de serre ;
- Gêne olfactive ou irritation.
Comme on peut le constater sur la figure ci-dessous, la majorité de ces gaz
polluants absorbent dans le moyen infrarouge, d’où l’utilité de notre laser.
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
______________AYAT Maha
Magistèr en Micro
78
3.2.
Pour
optiqu
conna
Chaq
transi
électr
comp
traces
Expo
électr
spect
Les t
dans
Notre
prése
Figure IV-1 : Intensité des raies d’absorption d’espèces gazeuses
_____________________________________________________________________Etude de Nanostructures Laser à base de Matériaux Quinaires InGaAlAsSb/GaSb :Application en Métrologie -Environnement
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Spectroscopie d’absorption :
une mesure spécifique de la concentration d’un polluant la spectroscopie
e d’absorption s’avère être un outil efficace. Le procédé exige une bonne
issance quantitative des caractéristiques d’absorption de gaz.
ue atome ou molécule est caractérisé par des niveaux d’énergie. Les
tions entre les niveaux par émission ou absorption de radiation
omagnétique aboutie à une spectroscopie spécifique. Cette spécifité tient
te de l’identification et la quantification des espèces moléculaires, comme les
de gaz.
sées à une radiation électromagnétique, les molécules subissent des transitions
oniques, rotationnelles et vibrationnelles entre les états aboutissant à un
re d’absorption.
ransitions rotationnelles-vibrationnelles entre les états moléculaires se trouvent
la région infrarouge du spectre électromagnétique.
sujet se porte sur les sources spectroscopiques du moyen infrarouge qui
ntent d’importantes caractéristiques : sensitivité, sélectivité et un temps de
dans la gamme de longueurs d’ondes 2µm-3µm. [2]
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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79
réponse rapide. Celles-ci offre la capacité de rassembler les sources laser et les
techniques pour être plus utilisables dans certaines applications de détection de gaz
à l’état de traces. Ceci inclue divers champs :
1) contrôle de l’environnement (CO, CO2, CH4)
2) mesure des émissions industrielles (site de combustion) ;
3) émission urbaine et rurale (trafic automobile) ;
4) analyse chimique et le contrôle du processus de fabrication (semi-conducteur,
pharmaceutique et les industries alimentaires) ;
5) détection des molécules médicales, gaz toxiques, drogues et explosifs.
4. Applications environnementales :
4.1. Métrologie des gaz polluants
Le but de notre travail est de développer et d’optimiser des dispositifs pour la mesure
de polluants émis dans l’environnement. Le Laser étudié sera associé à différentes
techniques de mesure telles la télédétection par LIDAR (Light Detection And
Ranging) ou encore la spectroscopie d’absorption laser.
La télédétection par LIDAR permet d’effectuer des mesures à distance, tout comme
le RADAR (Radiowave Detection And Ranging).
L’analyse à distance impose l’usage de détecteurs terrestres, aériens ou satellitaires.
Le principe de télédétection des traces de gaz par LIDAR est simple (voir la figure 3).
Après l’émission d’un faisceau laser IR vers l’atmosphère, il est diffusé dans toutes
les directions par les molécules et particules constituant l’air. Une partie de l’onde
diffusée est réémise vers l’arrière. Un télescope est placé coaxialement à la source
émettrice (laser), et collecte le signal rétrodiffusé. [11]
Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb
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80
Afin de mesurer la concentration d’une molécule atmosphérique par absorption
différentielle, il faudra émettre deux longueurs d’onde infrarouge λON et λoff
spectralement et temporellement proches pour que les propriétés de l’atmosphère ne
diffèrent que de l’absorption de la molécule sondée. La première (λON) est fortement
absorbée par le polluant considéré, la deuxième (λoff) beaucoup plus faiblement et
donc la concentration atmosphérique sera déduite de l’analyse différentielle des
puissances rétrodiffusées aux deux longueurs d’onde en fonction de la distance de
propagation.
Il est à noter que le rayonnement infrarouge peut interagir avec n’importe quel
élément excepté le gaz pouvant perturber sa trajectoire, se qui lui confèrent plusieurs
applications en dehors de l’environnement.
Il ne faut pas négliger le fait que l’impulsion laser sera atténuée pendant la
propagation dans l’atmosphère. Cette atténuation est définie par le coefficient
d’atténuation ][ 1Mi qui est la somme des deux coefficients de diffusion i, et
d’absorption i, à la longueur d’onde i : iii ,, (3)
télescope
rétrodiffusion
LASER
Détecteur
diffusion
Figure IV-2 : Principe de télédétection parLIDAR
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Cette dernière technique permet d’obtenir la concentration d’un polluant précis, le
long du trajet du laser dans l’atmosphère. La précision de la mesure dépend de la
distance, et elle se dégrade avec l’éloignement. [9]
Intérêt des mesures LIDAR
Cette technique permet d’établir une cartographie du polluant, montrant ainsi la
distribution spatiale (2D) des concentrations.
Il est aussi possible de visualiser la concentration en fonction de l’altitude et du
temps, ce qui permet d’accéder aux couches d’iso-concentrations et à la
dynamique du polluant dans l’atmosphère.
Le LIDAR permet aussi de suivre un traceur dans une fumée de cheminée et de
caractériser ainsi la dimension la dispersion et le flux.
C’est donc en effectuant des compagnes de mesures sur plusieurs jours qu’on
peut étudier la dynamique des polluants. Et en combinant les résultats à ceux
d’un large réseau de capteurs (au sol), ça nous permettra d’analyser si la
pollution provient d’un site local, ou si des phénomènes de transports ont eux lieu.
Figure IV-4 : Principe du LIDAR à absorptiondifférentielle. [14].
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4.2. Contrôle atmosphérique :
A l’heure actuelle la qualité de l’air est un des problèmes majeurs rencontrés dans
les villes. Cette pollution atmosphérique est essentiellement due à l’introduction
par l’homme de substances (automobiles, gaz rejetés par les usines, …) ayant
des conséquences catastrophiques de nature à mettre en danger la santé
humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les
échanges climatiques, à détériorer les biens matériels et à provoquer des
nuisances olfactives excessive.
Figure IV-5 : Exemple de cartographie 2D d'ozoneobtenue avec un LIDAR/DIAL mobile
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4.3. Pollution locale :
4.3.1. Laboratoires :
Les laboratoires spécialisés dans la manipulation des gaz toxiques, représentent
des sites à hauts risques qui doivent être munis de dispositifs de détection
efficace. L’analyse infrarouge moyen constitue l’un des procédés les plus utilisés
dans plusieurs laboratoires dans le monde.
4.3.2. Les usines :
Vu les manipulations d’éléments dangereux dans différentes usines, la sécurité
de ces lieux est primordiale. La détection optique infrarouge est efficace dans ce
domaine dans les cas de contamination mais aussi dans l’assistance de certains
réacteurs à gaz dans des usines chimiques.
5. Applications médicales :
Le but principal de la médecine est de rétablir la santé, mais avant il faut que la
maladie soit identifiée ou diagnostiquée pour enfin être guérie.
La spectroscopie infrarouge permettrait un diagnostic rapide de certaines
maladies infectieuses, maladies cardiovasculaires, des disfonctionnements de
l’organisme, ...
L’interaction du faisceau de notre laser avec un tissu peut être utilisée pour
étudier la biochimie et la structure de ce tissu. La gamme de l’infrarouge moyen
est adéquate à la spectroscopie in vivo, du fait des propriétés d’absorption et de
diffusion du tissu dans cette gamme du spectre électromagnétique.
5. 1. Détermination des risques cardiaques :
Les maladies cardiovasculaires (coronariennes) représentent la cause principale
des décès dans le monde.
La spectroscopie moyen infrarouge peut être utilisée comme moyen pour
surveiller ces maladies, elle nous permettrait la mesure simultanée des
concentrations en cholestérol et l’ensemble des lipides dans des échantillons de
sang ou de sérum. [13]
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5. 2. Accidents cérébro-vasculaires :
Un accident cérébro-vasculaire est la rupture des faisceaux sanguins du
cerveau.Il peut entraîner la mort du tissu cérébral privé d’oxygène ce qui
entraînera par la suite le coma ou certainement la mort du patient s’il n’est pas
traité.
La spectroscopie moyen infrarouge du cerveau peut servir comme moyen de
mesure des paramètres responsables au déclanchement de l’accident cérébro-
vasculaire et aux dommages résultants, tels l’oxygénation, le volume sanguin ou
le contenu d’eau des tissus.
5. 3. Evaluation de la profondeur d’une brûlure :
L’évaluation par l’oeil nu de la profondeur d’une brûlure est difficile, et donc il est
difficile de procurer un traitement adéquat.
Car une blessure qui semble être au second degré peut se révéler être du
troisième degré, ce qui rend compliqué le choix du traitement.
La capacité de la lumière infrarouge à pénétrer les tissus en profondeur fait de
notre laser un outil de diagnostic non invasif, capable d’évaluer la gravité d’une
blessure de façon objective. [10]
Figure IV-6 : Vue optique d’un cœur atteintd’une maladie coronarienne
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5. 4. Greffe de tissus :
La greffe de tissu implique le transport d’un tissu sain d’un endroit du corps à un
autre qui a subi une perte de peau ou de tissu graisseux.
La méthode habituelle utilisée pour évaluer le transfert du greffon est le suivi
visuel. Donc il faudra attendre un indice visuel de l’échec ou du succès de la
greffe, ce qui n’est pas considéré comme une solution optimale.
Ainsi, il nous faudra un outil qui nous permettrait d’évaluer la santé du greffon
pendant l’opération chirurgicale et dans la période post-opératoire.
L’imagerie et la spectroscopie laser infrarouge peuvent être utilisées pour évaluer,
d’une manière non invasive les tissus greffés. L’oxygénation du tissu peut être
présentée comme une image et fournira par la suite des informations concluantes
au chirurgien.
La spectroscopie laser infrarouge possède la capacité de prédire précisément
quel sera le résultat de l’opération et ainsi augmenter les chances de succès
d’une opération destinée à sauver le tissu. [12]
5. 5. La santé bucco-dentaire :
Plusieurs techniques optiques, parmi elles la spectroscopie laser infrarouge, ont
été développées afin d’être utilisées comme moyen de diagnostic pour la
surveillance ainsi que pour détecter les pathologies de la bouche et des dents.
On peut citer par exemple :
- la détection de caries dentaires : l’usage des fluorures rend difficile la détection
à un stade précoce des lésions. En les détectant précocement, ces lésions
peuvent être prises en charge avec des traitements non-chirurgicaux.
- Détection des cancers de la bouche : les personnes atteintes de cancer de la
bouche ont un faible taux de survie. Ceci est du au fait que ces cancers sont
détectés, en général, à un stade avancé. La détection précoce de ces cancers
peut augmenter le taux de survie et réduire des procédures défigurantes.
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6. Autres applications :
6.1. Applications en télécommunications spatiales :
De nos jours le transfert d’informations est en augmentation croissante à cause
du développement de l’Internet, et donc la bande passante des
télécommunications est de plus en plus encombrée. La communication optique
en espace libre est la solution idéale, en particulier dans le moyen infrarouge. On
opte pour cette solution car l’atmosphère possède 3 fenêtres de transparence
dans le moyen infrarouge : entre 2 et 2.7µm, entre 3 et 5µm et entre 8 et 12µm.
les lignes de transmission dans ces gammes sont favorables grâce à leur faible
sensibilité à la diffusion Rayleigh (proportionnelle à 1/λ4, et aux perturbations
atmosphériques. [4]
6.2. Applications militaires :
Les applications de détection et de transmission qu’on vient de présenter ont
aussi des applications militaires. Donc à l’aide d’un laser émettant dans le moyen
infrarouge associé à un photodétecteur, il est possible de détecter des
mouvements.
Ainsi, un tel dispositif peut être appliqué pour la contre-mesure et de poursuite
d’une menace sous la forme d’un missile. La figure ci-dessous montre un
système de désignation (sur le navire) de cible à guidage laser. Le rayonnement
Figure IV-7 : Fenêtre de transmission de l’atmosphère dans le moyen infrarouge
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infrarouge généré par le dispositif de détection, plus intense que le rayonnement
infrarouge généré par la cible ennemie, engendre une déviation de la trajectoire
de la menace par perturbation du système autodirecteur de guidage du missile.
[5]
6. Conclusion :
L’environnement et particulièrement la qualité de l’air est un des problèmes majeurs
rencontrés à l’heure actuelle dans les villes en terme de santé publique. Pour lutter
contre la pollution atmosphérique il est important de la quantifier. Même si les
concentrations de certains polluants gazeux sont actuellement mesurés par des
capteurs ponctuels, il s’avère important de disposer de cartographies 3D par la
méthode de télédétection LIDAR de ces concentrations mais aussi des aérosols
atmosphériques qui jouent un rôle capital dans le bilan radiatif terrestre.
Les lasers moyen infrarouge InGaAlAsSb à puits quantiques sont les mieux adaptés
à cette application.
Mais aussi, ces lasers font preuve d’efficacité dans la spectroscopie d’absorption
laser pour la médecine car elle permet un diagnostique rapide de certaines maladies
en détectant dans l’air expiré des traces de molécules spécifiques ; on pourrait citer
la présence de tumeurs cancéreuses (HCHO, H2C=CH2, CH3(CH2)3CH3), la
schizophrénie (CS2). [6]
Missile neutralisé
Faisceau deguidage laser du
missile Faisceau laser decontre mesure
FigureIV- 8 : Dispositif de poursuite et de contre-mesure
Faisceau deguidage laser Missile
neutralisé
Faisceau laser decontre mesure
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Les sources émettant dans le moyen infrarouge pourraient également avoir des
applications pour l’étude de l’ADN, ainsi que dans l’imagerie médicale non
invasive.[1]
References:
[1]: A.G. Davies, E.H. Linfield, and M.B. Johnston, “The development of THz sources
and their applications”, Physics in Medicine and Biology, 47, p. 3679 (2002).
[2] : A. Vicet et Al. Elsevier Science,Spectrochimica Acta Part A 58 (2002)
[3]: Autocalibrating optronic infrared observation system and gimballed designatorcomprising it; European Patent EP0489649
[4]: CiscoSystems, “Introduction to DWDM for Metropolitans Networks, 2002
[5]: Device for Conterning and Tracking threat in the form of a homing-head missile ;World Intellectual Property Organisation.
[6]: E. Diessel, S. Willmann, P. Kamphaus, R. Kurte, U. Damm, and H.M
[7] : Facts on health and environment ; organisation mondiale de la santé
[8]: Heise,“Glucose quantification in dried-down nanoliter samples using mid-infrared
attenuated total reflection spectroscopy”, Appl. Spectrosc. , 58, p.442 (2004)
[9]: Laser Spectroscopy; E. Roland Menzel
[10]: Leonardi, L., Sowa, M.G., Payette, J.R. and Mantsch, H.H. Infrared
spectroscopy and imaging: A new approach to access burn injuries. Am. Clin. Lab.
2000
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[11]: Megie, 1985 ; Kölsch, 1989 ; Wolf, 1990 ; Kölsch, 1992 ; Weidauer, 1996 ;
Ancellet, 1998 ; Frejafon,1998 ; Wolf, 1998 ; Thomasson, 1999 ; Ménard, 2000 ;
Thomasson, 2000 ; Wolf, 2000.
[12]: Payette, J.R., Sowa, M.G., Germschied, S.L., Stranc, M.F., Abdurauf, B. and
Mantsch, H.H. Noninvasive diagnostics: Predicting flap viability with IR spectroscopy
and imaging. Am. Clin. Lab. 18 : 4-6, 1999.
[13]: Shaw RA, Kotowich S, Leroux M, Mantsch HH. Multianalyte serum analysisusing mid-infrared spectroscopy. Ann. Clin. Biochem.1998; 35: 624-632.
[14]: Wolf, 1990; Ménard, 1998; Wolf, 2000
Conclusion
Le travail effectué dans le cadre de ce mémoire concerne l’étude de la
faisabilité d’un dispositif optoélectronique pour les applications dans le
Moyen Infrarouge (MIR) et plus particulièrement dans la télédétection
atmosphérique.
Nous avons fait une étude des matériaux disponibles pour ces différentes
longueurs d’onde, allant des binaires aux quinaires.
Nous avons entamé cette étude sur les quinaires car les systèmes
quaternaires, qui couvrent une gamme de bandes interdites bien centrée
dans le moyen infrarouge, présentaient un problème lié au fort désaccord
de maille et la transition direct-indirect (Type I- Type II) ce qui a
provoqué la détérioration rapide du dispositif.
Et donc, nous avons procédé à une étude aussi précise que possible sur la
variation des énergies du gap en fonction de la composition des différents
alliages quinaires InGaNAsSb, InGaPAsSb et InGaAlAsSb.
Nous avons ensuite exposé l’ensemble des techniques de croissance
permettant d’obtenir les structures quantiques antimoniures.
Notre choix s’est porté sur le matériau InGaAlAsSb qui est le candidat le
plus prometteur pour l’émission entre 3 et 5µm car il présente une
amélioration des performances du laser par rapport au système à base de
AlGaAsSb. Et ceci est du à la présence du cinquième élément (In) dans
l’alliage.
Les résultats les plus importants sont comme suit :
Diminution du band-offset de conduction ce qui induit
l’homogénéité de la mobilité des électrons ;
Augmentation du band-offset de valence ce qui contribue à la
diminution du courant de fuite ;
Meilleur confinement des porteurs
Une durée de vie des trous, dans la structure à base de
InGaAlAsSb/GaSb, jusqu’à 60 fois plus longue que celle dans la
structure quaternaire AlGaAsSb/GaSb ;
Un gain maximal de l’ordre de 150 cm-1.
Nous avons exposé, dans la dernière partie de ce travail, les différentes
applications de la détection optique par laser et particulièrement celles de
la détection à distance par système LIDAR qui montre des avantages aussi
bien au niveau de l’élaboration qu’au niveau d’efficacité puisque la
spectroscopie reste le moyen le plus fiable et le plus astucieux pour une
meilleur détection et analyse des traces de polluants et des gaz dans l’air.
L’utilisation de ce Laser avec un photodétecteur peut présenter un grand
intérêt dans plusieurs autres domaines tel que :
Contrôle atmosphérique (pollution et dérèglement climatique) ;
Inspection de l’apport des usines de polluants ;
Sécurité et assistance dans les laboratoires à hauts risques ;
Sécurité : détection d’explosifs, de stupéfiants
Application médicale : élaboration d’un diagnostic par une technique noninvasive.
Dans le domaine militaire, le guidage de missiles requiert un dispositiflaser plus performant, c'est-à-dire une émission au-delà de 4µm. pour ce
faire, nous envisageons une étude sur d’autres structures ; tel que :
Structures à cascades quantiques InGaAsSb/InGaAlAsSb/GaSb ;
Structures à multi-puits quantiques InGaPAsSb/InGaAlAsSb ;
Nanotechnologie : Boites quantiques.