Amélioration des performances par enterrement de la zone

De manière complémentaire à l’optimisation de la géométrie du composant pré-cédemment discutée, une des ruptures technologies qui a permis de aux QCLs de fonctionner en régime continu à température ambiante et d’atteindre les puissances optiques de sorties records est l’enterrement de la zone active.

CHAPITRE III. OPTIMISATION DE LA PUISSANCE ÉMISE PAR UN QCL84 L’utilisation de lasers enterré nous a permis de fabriquer des lasers de très fortes puissances optiques de sorties. Le maximum de puissance a été obtenu pour des lasers de 5 mm de long, de 10 µm à 12 µm de largeur de rubans sur la plaque ART 1815. Dans ce cas, le matériau servant à enterrer le ruban est de l’InP:Fe recru par HVPE. Cette méthode a été décrite dans la littérature [149, 150]. Les courbes caractéristiques d’un de ces lasers sont représentées sur la figureIII.27a.

0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 Courant (A) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tension (V) 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 Puissance (W)

(a) PIV d’un QCL enterré.

-50 0 50 Angle (°) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Intensité (u.a.)

Champ lointain horizontal exp. Fit

y = A0*exp(-x*x/A1) a0 = 9.227 a1 = 219.81 correlation = 0.999658

(b) Champ lointain horizontal.

Figure III.27: Courbes caractéristiques PIV d’un QCL avec un ruban de 5 mm de long et 12 µm de large, en configuration SIBH avec la zone active LCQ79 (III.27a) ainsi que son champ lointain horizontal au maximum de puissance (III.27b).

La puissance maximale obtenue est de 2,41 W à 20◦C pour un courant de 2,2 A et une tension de 13,2 V. La densité de courant caractéristique est de 2,07 kA/cm2et la température caractéristique de T0 = 301K. Le rendement est de 2,64 W/A. Il s’agit d’un laser Fabry-Pérot, avec une émission spectrale comprise entre 4,6 et 4,8 µm. Comme on peut le voir sur la figure III.27b, le champ lointain reste mono-lobe, gaussien et peu divergent même au maximum de puissance. La largeur à mi-hauteur (FWHM) est de 24,7◦.

Cependant, la recroissance de l’InP:Fe est très complexe. Une mauvaise qualité du matériau obtenu ainsi qu’un dopage trop faible peuvent augmenter sa conductivité électrique. Il n’est alors plus isolant et des courants de fuite viennent réduire le rendement à la prise du laser. Ces courants peuvent représenter plusieurs dizaines de pourcents du courant total. Afin de faire disparaître ces courants de fuites, il est possible de rajouter une couche de diélectrique après la recroissance de l’InP:Fe pour n’injecter le courant que dans le ruban, comme représenté sur la figureIII.28a.

CHAPITRE III. OPTIMISATION DE LA PUISSANCE ÉMISE PAR UN QCL85

(a) QCL SIBH avec isolation. (b) Rthfonction de la largeur du via.

Figure III.28: Vue schématique d’un QCL SIBH avec une couche d’isolation supplé-mentaire (III.28a) et impact de l’ajout de cette couche sur la résistance thermique, selon la largeur du via.

Cependant l’ajout de ce diélectrique va introduire une nouvelle barrière ther-mique. L’évolution de la résistance thermique en fonction de la largeur du via est représentée sur la figure III.28b pour des lasers de 8 µm de large. Dans le cas où

t_diel = 500 nm, en utilisant un via plus étroit que le ruban de 2 µm, la résistance thermique augmente d’environ 0,16 K/W, soit environ 3%. Contrairement au cas des QCLs DT, le diélectrique ne sert qu’à isoler le ruban électriquement et non à éloigner le mode optique du métal. On peut ainsi utiliser des couches plus fines. Nous avons ainsi simulé un deuxième cas, un où le diélectrique a une d’épaisseur tdiel de 100 nm. On réduit ainsi l’augmentation de la résistance thermique à 0,06 K/W, soit environ 1%.

En conclusion, l’utilisation de structures enterrées à permis d’obtenir des puis-sances moyennes de 2,4 W, ce qui est le record interne au laboratoire, et l’état de l’art sur embase AlN. De plus, il est possible d’utiliser une couche d’isolation sup-plémentaire dans le cas des QCLs SIBH sans dégrader trop fortement l’efficacité de la dissipation thermique.

III.2.3 Conclusion

En conclusion de cette section, nous avons étudié l’impact de la géométrie de différentes partie du QCL sur ses performances. Dans ce but, nous avons réalisé des simulations optiques et thermiques en nous appuyant sur les propriétés des matériaux mesurées dans la partieIII.1. Nous avons également fabriqué et caractérisé des QCLs de puissances en nous appuyant sur les règles de conception ainsi établies.

Dans un premier temps nous avons étudié de manière systématique l’améliora-tion, ou la dégradal’améliora-tion, apportée en faisant varier différentes dimensions du QCL : la profondeur de gravure du ruban, la largeur du via dans la couche d’isolation et l’épaisseur du guide d’onde supérieur. Les deux premières grandeurs sont directe-ment liées aux difficultés de fabrication. Nous avons vu qu’une gravure trop profonde

CHAPITRE III. OPTIMISATION DE LA PUISSANCE ÉMISE PAR UN QCL86 du ruban, qui peut arriver avec un mauvais suivi de gravure, entraînait une aug-mentation de la résistance thermique de l’ordre de 0,2 K/W. De même, il est difficile de réaliser des vias trop large qui posent des problèmes d’alignement du masque de photolithographie. Nous avons vu qu’il est possible de prendre un via plus étroit (avec 2 µm au lieu de 1 µm de marge sur les flancs) sans dégrader trop fortement la résistance thermique. Enfin, nous avons montré qu’il est possible de diminuer la hauteur du guide d’onde supérieur afin de graver moins de matériau et d’améliorer légèrement la dissipation thermique, sans introduire de pertes optiques supplémen-taires dans le métal de contact.

Dans un second temps, nous avons vu qu’il était possible d’améliorer les perfor-mances en utilisant des structures SIBH au lieu de DT. Nous avons ainsi rapporté des résultats expérimentaux à l’état de l’art, avec des puissances de sorties de 2,4 W pour des QCLs montés sur embases AlN. Une discussion a également été mené sur la possibilité de réduire les courants de fuites des composants SIBH en ajoutant une couche d’isolation supplémentaire. Nous avons montré que cette méthode ne dégrade notablement pas la dissipation de la charge thermique.

Il est également possible d’utiliser des lasers à larges rubans afin d’avoir une grande zone de gain. Ces lasers seront traités dans la partieIV.3.