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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique ________ UNIVERSITE D’ORAN FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE ______ MEMOIRE 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, Président L. DAHMANI, M.C, Université d’Oran, Examinateur A. KADRI, Professeur, Université d’Oran, Examinateur G. MERAD, Professeur, Univ. Abou Bakr Belkaid Tlemcen, Examinateur K. ZITOUNI, Professeur, Université d’Oran, Rapporteur ETUDE DE NANOSTRUCTURES LASERS A BASE DE MATERIAUX QUINAIRES InGaAlAsSb/GaSb : APPLICATIONS A L’ENVIRONNEMENT-METROLOGIE

AYAT Maha - univ-oran1.dz · AYAT Maha Magister de Physique option : MICRO-OPTO-ELECTRONIQUE-Janvier 2009 Intitulé : Etude de nanostructures LASER à base de matériaux quinaires

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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

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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.

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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.

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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

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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.................................................................................

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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

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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

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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

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

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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

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)

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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

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.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)

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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

6

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.

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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

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

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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

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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

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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

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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

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L

s

v

p

0

s

L

l

m

m

m

m

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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

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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

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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

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AlAs

InP,

eV e

com

Les

(((

EEE

L

X

g

g

g

La v

*

*

*

*

m

m

m

m

so

lh

hh

e

La v

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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

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2

L

l

b

U

e

B

e

L

f

G

A

t

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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

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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)

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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Chapitre I Les matériaux antimoniures

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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.

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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

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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)

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Application en Métrologie -Environnementen Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009

])1([)1(

])1()[1(])1([])1()[1()1)(1(

)1()1()1(

GaAlSbGaAlAs

InGaSbInGaAsInAlSbInAlAs

GaAsSbAlAsSbInAsSbGaSb

GaAsAlSbAlAsInSbInAsg

bzyzbyyx

bzzbyxxbzzbxybyxybxbzzEzyx

zEyxEzyyzEEzxxzEE

(2)

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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

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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

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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

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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

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Application en Métrologie -EnvironnementMicro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier 2009

)()1)(1()()1()()1(

)()()1()(***

****

InAsmzyxGaAsmzyxInSbzmx

GaSbxzmInPymxGaPxymm

sososo

sosososo

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Chapitre II Les antimoniures Quinaires

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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

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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)

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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

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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.

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37

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]

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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]

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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]

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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

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Chapitre II Les antimoniures Quinaires

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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.

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Chapitre II Les antimoniures Quinaires

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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]

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Chapitre II Les antimoniures Quinaires

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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

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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.

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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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45

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

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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.

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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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47

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.

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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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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53

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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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55

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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56

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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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57

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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58

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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59

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

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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60

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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61

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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62

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.

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63

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.

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64

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)

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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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67

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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68

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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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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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Chapitre III Les Lasers à Puits Quantiques

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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.

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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

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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

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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.

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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

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74

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.

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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 :

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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 :

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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.

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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

______________AYAT Maha

Magistèr en Micro

78

3.2.

Pour

optiqu

conna

Chaq

transi

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comp

traces

Expo

électr

spect

Les t

dans

Notre

prése

Figure IV-1 : Intensité des raies d’absorption d’espèces gazeuses

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-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier2009

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]

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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]

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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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85

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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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

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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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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

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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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Chapitre IV Les applications du laser InGaAlAsSb

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Application en Métrologie -EnvironnementMagistèr en Micro-Opto-Electronique ; Dpt de Physique ; Université d’Oran Janvier2009

89

[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

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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.

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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.

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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.