La figure 78 montre les variations de λreset de Tqwen fonction de la puissance absorbée et pour trois structures différentes. On constate que la variation de λresest fortement dépen-dante de la structure de la micro-cavité. A partir de ces mesures de Tqw=f (Pabs), on peut finalement en déduire une valeur de la résistance thermique effective en ajustant les données à l’aide de l’équation 5.1. Pour les exemples présentés sur la figure 78, on trouve respecti-vement pour les structures HS7a, HD3 et MD4, une valeur de Rthde 5400 K/W, 2200 K/W et 1100 K/W. Cela signifie que pour une puissance absorbée équivalente, la structure HS7a chauffera 4 fois plus que la structure MD7.
On peut observer que lorsque la température Tqw devient élevée, les points expérimen-taux tendent à s’écarter de la droite d’ajustement. Cette divergence est due à la dépendance avec la température de la conductivité thermique des différents matériaux utilisés. Dans la plage de température qui nous concerne (300 K à 500 K), la conductivité thermique des ma-tériaux semiconducteurs que nous utilisons diminue avec la température [7, 8] et celle des
Fig. 78 – Variations de la longueur d’onde de résonance λres et de la température des puits quan-tiques Tqwen fonction de la puissance absorbée Pabspour trois structures différentes, res-pectivement HS7a-CA1, HD3-M3 et MD7-G3. Ces trois structures présentent une valeur de dλres/dT identique et égale à 0,1 nm/K.
matériaux diélectriques a tendance à rester constante [9], d’où une augmentation globale de Rthavec la température, ce qui corrobore les résultats expérimentaux que l’on obtient. Pour la suite de ce travail, seules les mesures de Rth obtenues à température ambiante (c’est à dire à T0= 20˚C) seront utilisées pour nos études comparatives.
Fig. 79 – Valeurs moyennes expérimentales de la résistance thermique effective Rthpour chaque type de structure étudiée. L’axe des abscisses indique la constitution du miroir arrière. Les valeurs expérimentales ont été mesurées à température ambiante, T0= 20˚C.
Les valeurs moyennes de Rth mesurées à température ambiante sont résumées sur la figure 79. Les données sont classées par type de structure, avec en abscisse la constitution
du miroir arrière. On observe tout d’abord, que les plus faibles valeurs de Rth (∼ 1000 K/W) sont obtenues avec les structures ayant un miroir arrière purement métallique (struc-tures MS7 et MD7). Ensuite, on peut voir que la valeur de Rth augmente si on y rajoute des couches minces supplémentaires pour augmenter la réflectivité du miroir arrière, avec un maximum de 7300 K/W pour la structure HD7a qui est constituée d’un miroir hybride Ag+[SiO2/TiO2/SiO2]. La structure HD7a a donc une valeur de Rth7 fois plus grande que celle de la structure MS7. La valeur de Rth pour les structures avec miroir hybride dépend principalement du nombre de couches supplémentaires et de la conductivité thermique des matériaux constituant ces couches optiques (cf. page 86). Ainsi, la structure HD3 qui, tout comme la structure HS7b, possède seulement une seule couche quart d’onde diélectrique supplémentaire, présente cependant une valeur de Rth 40 % plus faible, soit 2200 K/W au lieu de 3500 K/W, entre autre car l’Al2O3 à une conductivité thermique plus élevé que SiO2 (cf. Tab. 8 page 77) (les matériaux du miroir avant influencent aussi Rth mais dans une moindre mesure). De même, la structure HS7a présente une valeur de Rth 40 % plus éle-vée que celle de HS7b (5400 K/W au lieu de 3500 K/W) car elle possède deux couches diélectriques (SiO2+TiO2) supplémentaires. En comparant les structures HS7a et HD7a (ou MS7 et MD7), il apparaît aussi que l’utilisation de couches diélectriques SiO2/TiO2 pour la réalisation du miroir avant augmente la résistance thermique effective de 25 % (respec-tivement 15 %) par rapport aux structures similaires utilisant des couches semiconductrices InP/InGaAlAs pour le miroir avant. Enfin, la structure BD7 présente aussi une importante résistance thermique effective, de 6300 K/W, due au nombre important de couches semicon-ductrices (35 paires) constituant son miroir arrière. Finalement, nous avons pu vérifier que la résistance thermique effective de nos composants n’est pas affectée par l’irradiation ionique (cf. les deux structures HS7a sur la Fig. 79).
Remarque : par manque de temps, nous n’avons malheureusement pas pu mesurer la va-leur de la résistance thermique effective des structures de type MD3, MS9 et HD7b.
Ces résultats expérimentaux (symboles pleins) sont comparés aux résultats numériques (symboles creux) sur la figure 80. Cette figure montre la résistance thermique effective en fonction de la valeur théorique de la réflectance du miroir arrière. Dans l’ensemble, on voit que les deux types de résultats suivent la même tendance, décrite ci-dessus. Ils montrent de plus, que l’augmentation de la réflectance du miroir arrière implique toujours une augmen-tation de la résistance thermique effective du composant. Les valeurs expérimentales de Rth
sont en bonne adéquation avec les valeurs numériques. Les écarts que l’on peut observer pour certaines structures peuvent avoir plusieurs origines. Tout d’abord, les structures réelles peuvent être légèrement différentes des structures modélisées à cause des imperfections dues à la fabrication. Par exemple, la qualité du joint de brasure Au-In peut varier d’un échan-tillon à l’autre, mais aussi d’un point à l’autre d’un même échanéchan-tillon, et par conséquent sa conductivité thermique aussi (quelque soit la structure, nous avons supposé une conductivité thermique égale à 170 W.K−1.m−1 pour le joint de brasure). Une autre raison de ces écarts pourrait être la non-prise en compte de l’absorption par le miroir arrière. En effet, pour le calcul de Rth nous avons supposé que tout la puissance non réfléchie était uniquement ab-sorbée au niveau de la couche active. Or, une partie de cette puissance est en réalité abab-sorbée au niveau du miroir arrière (car sa réflectance n’est pas de 100 %). Plus la valeur de Rb est faible et plus la proportion de puissance absorbée par le miroir arrière est grande, réduisant d’autant la résistance thermique effective de la structure.
Fig. 80 – Valeurs expérimentales (symbole pleins) et numériques (symboles creux) de la résistance thermique effective Rthde chaque type de structure en fonction de la valeur théorique de la réflectivité Rbdu miroir arrière. Les valeurs expérimentales ont été mesurées à température ambiante (T0= 20˚C).
A titre de comparaison, les structures laser de type VCSEL qui sont similaires à nos micro-cavités à absorbants saturables, présentent des valeurs de résistance thermique du même ordre de grandeur que nos valeurs expérimentales (pour des diamètres de zone ac-tive équivalents à w0) [5, 10, 11]. Nos meilleurs résultats, obtenus avec les structures MD7 et MS7, sont, à notre connaissance, meilleurs que l’état de l’art actuel pour ce type de structure laser [12].
Le dépôt de couches optiques en alumine n’ayant été développé que récemment au la-boratoire, nous avons jugé utile d’estimer la valeur de leur conductivité thermique, afin de vérifier leur qualité. Pour cela, nous avons réalisé deux structures HD3, une avec un mi-roir hybride constituée d’une couche quart d’onde d’Al203 (e ∼ 215 nm) et l’autre consti-tuée d’une couche 3λ/4 d’Al203 (e ∼ 700 nm). Les résultats des mesures de Rth pour ces deux structures sont donnés sur la figure 79. Comme attendu, la valeur de Rth a aug-menté avec l’augmentation de l’épaisseur d’Al203, passant de 2200 K/W pour une épaisseur λ/4 à 3400 K/W pour une épaisseur 3λ/4. A partir de ces mesures et à l’aide du logiciel THERMSIM, nous avons modélisé ces deux structures en utilisant la valeur de la conduc-tivité thermique de l’Al203 comme seul paramètre ajustable. En supposant une conductivité thermique de 13 W.K−1.m−1, on trouve comme valeurs numériques pour Rthrespectivement 2300 K/W et 3300 K/W, ce qui est en bon accord avec les valeurs expérimentales. Cette va-leur de la conductivité thermique est cependant deux fois plus faible que la vava-leur attendue de 30 W.K−1.m−1[13]. En fait, cette valeur correspond à la conductivité thermique de l’alu-mine cristalline, or nos couches d’Al203sont polycristallines et peuvent de plus contenir une certaine porosité, ce qui pourrait expliquer que nous obtenons une valeur expérimentale plus faible.
Nous avons aussi regardé l’influence de la conductivité thermique du substrat de report sur la résistance thermique effective du composant. Pour cela, nous avons réalisé deux struc-tures supplémentaires, une structure du type HD3 reportée sur du carbure de silicium (SiC) et
une structure du type HS7a reportée sur du cuivre (Cu). Ces deux matériaux présentent res-pectivement une conductivité thermique de 490 W.K−1.m−1 [14] et de 400 W.K−1.m−1[15], qui sont supérieures à celle du silicium (150 W.K−1.m−1). Les résultats expérimentaux sont aussi présentés sur la figure 79. Dans le cas de la structure reportée sur Cu, on constate que la valeur de Rthest égale à celle de la structure équivalente reportée sur Si (∼ 5500 K/W). Pour la structure reportée sur SiC, on mesure une valeur de Rthlégèrement plus faible, d’environ 10 %, que celle de la structure équivalente reportée sur Si. Ces résultats sont en très bon ac-cord avec les simulations numériques et montrent qu’une augmentation, même importante, de la conduction thermique du substrat de report ne permet pas de diminuer sensiblement Rth, principalement à cause de la faible conductivité thermiques des matériaux situés entre le substrat et la principale source de chaleur constituée par les puits quantiques.