Réduction de l’épaisseur pour une structure bound

En premier lieu nous avons étudié la réduction de l’épaisseur sur des structures de type bound to continuum. La structure standard fait 12 µm d’épaisseur et est nominalement identique à la structure décrite par S. Barbieri et coauteurs [53] . La région active de la structure fine de 6 µm d’épaisseur est identique à la structure standard sauf le dopage moyen de la région active qui est 20 % plus faible. Les deux structures ont été fabriquées, en guide métal métal et en guide plasmonique afin de pouvoir comparer les performances de ces dispositifs dans les deux guides en fonction de l’épaisseur.

Les deux structures lasent à environ 2.6 THz (cf figure5.7). En guide

123 124 125 126 127 8 8 8 9ABCDEFE8 123 124 125 126 127 8 8 9ABCDEFE8 8  

FIG. 5.7: Spectres des structures Bound to continuum en guide mé-tal mémé-tal, pour une épaisseur de la région active de 12 µm (panneau (a)) et de 6 µm (panneau (b)). Les spectres ont été acquis en mode pulsé (20 kHz, 300 ns), en utilisant le bolomètre comme détecteur.

double métal, (la couche de contact est amincit jusqu’à 200 nm environ) les courbes LIV en fonction de la température sont présentées dans la figure5.8.

Comme prévu, la tension de fonctionnement a été réduite. Elle n’a pas été réduite d’un facteur deux, car il faut prendre en considération la bar-rière Schottky9de l’ordre de 0.7 V.

La structure fine fonctionne jusqu’à 75 K en mode pulsé et 60 K en continu. Ces valeurs sont très proches de la structure de référence de 12 µm d’épaisseur.

Entre les deux structures les densités de courant ne peuvent être com-parées car les dopages sont différents : le dopage de la région active de la 9La barrière Schottky est une barrière de potentiel qui se forme à l’interface entre un métal et un semi-conducteur.

FIG. 5.8: Courbes LIV en fonction de la température en guide double métal. La partie droite de la figure correspond à la structure standard de 12 µm d’épaisseur, et celle de gauche à la structure fine structure de 6 µm épaisseur.

structure fine a été réduit pour diminuer les pertes [90]. Il est en effet diffi-cile de comparer deux structures ayant des dopages différents car celui-ci change fortement les courants caractéristiques de la structure ( courant d’alignement et de désalignement)

Afin de vérifier que le guide métal métal se prête plus à la réduction de l’épaisseur que le guide plasmonique, les deux structures ont aussi été mesurées en guide plasmonique.

épaisseur : 12 µm épaisseur : 6 µm

Métal-métal plasmonique métal-métal plasmonique

Seuil (A · cm−2) 105 85 71 104

Tmax(pulsé) 75 55 75 50

TAB. 5.1: Seuil laser et température maximale de fonctionnement en mode pulsé pour les structures épaisses et fines pour le guide métal métal ainsi que le guide plasmonique.

Le tableau5.1résume les courants seuils à 10 K ainsi que les tempéra-tures maximales de fonctionnement (Tmax). Pour la structure de référence, la densité de courant de seuil laser (Jth) est plus faible en guide plasmo-nique, mais sa Tmax est réduite de 20 K en comparaison avec le guide double métal. Les meilleures performances en température du guide mé-tal mémé-tal, proviennent de l’évacuation de la chaleur facilitée par le mémé-tal enterré d’environ 1 µm d’épaisseur, ainsi que le substrat dopé.

Pour la structure fine, en guide plasmonique, le seuil est plus élevé et la Tmax plus faible qu’en guide métal-métal. Les performances (Jth et Tmax) du dispositifs se sont dégradées beaucoup plus fortement en guide plasmonique qu’en guide métal métal. Pour réduire l’épaisseur de la ré-gion active d’un laser à cascade quantique dans le THz nous avons donc montré qu’il est préférable d’utiliser un guide métal métal.

3 µm d’épaisseur

Les résultats présentés précédemment suggèrent qu’il est possible de poursuivre la réduction de l’épaisseur. Ainsi nous allons étudier les per-formances d’une structure de seulement 3 µm d’épaisseur. Le dopage de celle-ci est deux fois plus important que la structure de 12 µm d’épaisseur et 2.45 fois plus que la structure de 6 µm.

Il est logique de se demander pourquoi les trois structures ont été do-pées à des niveaux différents. Les deux croissances de 6 µm et 3 µm d’épaisseur ont été épitaxiées l’une après l’autre. Nous n’avons donc pas pu caractériser la structure 6 µm et en déduire quels seraient les bon pa-ramètres à choisir pour la structure à 3 µm.

Les dopages différents ont été motivés pour les raisons suivantes : en passant de 12 µm à 6 µm nous avions calculé que les pertes augmentent d’environ 40 – 50 % (en guide métal-métal). Nous avons donc réduit le dopage pour abaisser les pertes de la structure 6 µm (en passant d’un dopage moyen de 3.74 · 1010

cm−2 à 3.04 · 1010

cm−2).

Pour la structure de 3 µm d’épaisseur on s’attendait à une augmenta-tion des pertes d’un facteur 2.3 par rapport à la structure à 12 µm. En sup-posant que le Jth varie de manière linéaire avec les pertes, le Jth devrait augmenter du même facteur. Cela nous donnerait un seuil plus grand que le courant de désalignement (Jmax), et donc la structure ne pourrait jamais laser. Nous avons donc choisi d’augmenter le dopage jusqu’à 7.49 · 1010

cm−2 afin d’augmenter le courant de désalignement, et de pouvoir rendre le dispositif fonctionnel.

Les courbes LIV en fonction de la température sont représentées dans la figure5.9. Une Tmaxd’environ 40 K est obtenue

La tension de fonctionnement ne correspond pas tout à fait à ce que l’on pourrait s’attendre : d’après la structure de bande on s’attend à que la structure lase pour une tension de 0.63 V auquel il faut ajouter les 0.7 V de la barrière Schottky. Il est probable qu’il y ait une résistance para-site en série. Cela expliquerait aussi pourquoi dans la caractéristique IV, les alignements sont très faiblement marqués. Cette structure est particu-lièrement sensible à des résistances parasites éventuelles car sa tension

FIG. 5.9: Caractéristiques LIV en fonction de la température pour une structure bound to continuum de 3 µm d’épaisseur et en guide métal métal.

est très faible, et le courant à injecter est plus grand (le dopage est plus important). Ainsi la résistance différentielle du dispositif est très faible (de l’ordre de 0.5 Ω, alors qu’elle est de l’ordre de 4 Ω pour la structure de 12 µm d’épaisseur) ce qui rend la mesure de ses caractéristiques électriques plus difficile à isoler d’éventuelles résistances parasites.

La comparaison des seuils laser entre les structures à 12 µm, 6 µm et 3 µm d’épaisseurs est difficile car les dopages sont différents, ce qui va changer les pertes dans la région active elle même, mais surtout cela va changer le courant parasite entre les différentes structures. Malgré cela il semble qu’en réduisant l’épaisseur les performances ne se dégradent pas autant que l’on s’attendrait en comparant les pertes.

Comme il est expliqué dans l’article [90], il est possible que la valeur du seuil prédite par les pertes ne correspondent pas à la valeur mesu-rée expérimentalement, à cause de la présence d’un courant parasite. En conséquence le seuil laser serait la somme d’un terme constant lié à ce courant parasite plus le terme dépendant des pertes. Ce problème est un problème courant [91] pour les lasers à cascade quantique dans le THz, et rend difficile la comparaison des densités de courant de seuil.