Étude des hétérostructures semi-conductrices III-nitrures et application au laser UV pompé par cathode à micropointes / Fabrice Enjalbert ; sous la direction de Le Si Dang

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Le Si Dang, Daniel (1978-.... ; auteur en physique) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Relation : Etude des hétérostructures semi-conductrices III-nitrures et application au laser UV pompé par cathode à micropointes / Fabrice Enjalbert / Villeurbanne : [CCSD] , 2005

Relation : Etude des hétérostructures semi-conductrices III-nitrures et application au laser UV pompé par cathode à micropointes / Fabrice Enjalbert ; sous la direction de Le Si Dang / Grenoble : Atelier national de reproduction des thèses , 2004

Résumé / Abstract : Le travail présenté dans ce rapport a pour objectif d'étudier la faisabilité d’un laser à semi-conducteurs III-nitrures pompé par cathode à micropointes émettant dans l'UV lointain (250350 nm). La structure laser, élaborée en EJM, est une hétérostructure à confinement séparé dont la zone active est constituée de puits (ou boîtes) quantiques de GaN dans une barrière d'AlxGa1-xN. Elle est pompée par un faisceau d'électrons énergétiques (~10 keV) générés par une cathode à micropointes. Le faisceau électronique converge sur la structure laser grâce à des aimants permanents qui impriment aux électrons un mouvement cyclotron. Cette étude a mis en évidence deux verrous technologiques dans la réalisation de ce laser. Premièrement, le seuil laser est très élevé (~10 MW/cm 2 en pompage optique). En effet, la qualité des alliages AlxGa1-xN constituant la barrière est insuffisante, ce qui se traduit par un faible transfert des porteurs vers les puits quantiques. Des mesures de cathodoluminescence ont été couplées à des simulations pour étudier la diffusion ambipolaire dans les hétérostructures. La longueur de diffusion varie sur trois ordres de grandeur (~nmæ m) selon la couche étudiée. Elle est la plus faible dans la barrière d'Al0.1Ga0.9N. L'utilisation de substrats de SiC face carbone a permis d'améliorer la qualité des échantillons. Deuxièmement, le courant émis par les micropointes (~A/cm 2 ) est insuffisant pour atteindre le seuil laser. Un dispositif de dépôt de césium sur les micropointes a été mis au point afin de réduire le travail de sortie des électrons. On a ainsi pu multiplier le courant émis par un facteur 50 pour une tension grillecathode de 70 V mais le dépôt de césium est inhomogène et instable.

Résumé / Abstract : The main objective of this work is to study the feasibility of a Group III-nitride semiconductor laser pumped by a microtip cathode and emitting in the far UV (250350 nm). The laser is a separate confinement heterostructure with an active layer made up of MBE-grown GaN quantum wells (or dots) in an AlxGa1-xN barrier. A 10 keV e-beam generated by a microtip cathode is focused onto the laser structure by cyclotron motion using permanent magnets. This study showed the existence of two major technological hurdles. Firstly, the laser threshold is very high (~10 MW/cm 2 in optical pumping). This is due to the inadequate quality of the AlxGa1-xN barrier which results in low carrier collection in the quantum wells. Ambipolar diffusion was studied by combining cathodoluminescence measurements with the results of a simulation program. It was found that the diffusion length varies over three orders of magnitude (~nmæ m) depending on the layer concerned. It is shortest in the Al0.1Ga0.9N barrier. Use of carbon-face SiC substrates gave some improvement in the quality of our samples. Secondly, the current emitted by the microtips (~A/cm 2 ) is well below the laser threshold. A cesium deposition device was constructed to reduce the electron work function of the microtips. The current was increased by a factor of 50 for a gridcathode voltage of 70V. However, the cesium deposit proved to be both inhomogeneous and unstable.