Résultats d’émission

Pour procéder à l’injection électrique afin de déceler une émission, la microcavité a été soudée à l’indium sur un support utilisé pour les lasers émettant par la tranche. La caractéristique courant-tension montre que les conductivités des miroirs sont convenables.

Aucune émission n’a été détectée à température ambiante, mais ce résultat était prévisible conformément aux courants de seuil élevés qui avaient été mesurés sur les lasers à émission par la tranche conçus avec le même système puits/barrières GaInSb/AlGaAsSb.

À 80 K nous avons obtenu une émission spontanée à 1,55 µm localisée à l’extérieur de la bande de haut pouvoir réflecteur des miroirs et de la résonance de la cavité (figure 5.10).

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Pouvoir réflecteur (u. a.)

Longueur d'onde (µm)

T = 80 K

électroluminescence (u. a.)

Figure 5.10. Superposition du pouvoir réflecteur de la microcavité centré à 1,38 µm et du signal

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Le point positif que nous pouvons souligné est l’observation d’une émission de la part des multipuits dans une structure VCSEL. Ceci montre le bon pompage électrique de la cavité et la validité du système puits/barrières GaInSb/AlGaAsSb comme zone active de VCSEL.

Ce résultat est donc tout à fait encourageant pour la filière GaSb dans le domaine des VCSELs à 1,55 µm.

Quelques équipes ont récemment reporté de bonnes performances de composants à émission verticale pompés optiquement ayant été réalisés avec des antimoniures sur InP (Blum,97) ou sur GaAs (Koeth, 98). Conjointement à ces travaux notre axe de recherche sur les VCSELs émettant à 1,55 µm sur substrat GaSb et pompés électriquement n’a jamais été abordé à notre connaissance. Cependant un prolongement de l’étude serait souhaitable pour analyser plus avant les véritables possibilités qu’offre la solution antimoniure sur GaSb.

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CONCLUSION

Ce mémoire a présenté une étude portant sur la réalisation de miroirs de Bragg et de lasers à cavité verticale —ou VCSEL— sur substrat de GaSb avec comme but le fonctionnement à la longueur d’onde de 1,55 µm. Au plan international, ce sujet fait aujourd’hui l’objet d’un vif intérêt industriel de par son application potentielle aux systèmes de télécommunication sur fibre optique.

En pratique, lors du démarrage de ce sujet au laboratoire, qui a correspondu avec le début de ma Thèse en 1995, l’objectif de réalisation d’un VCSEL incluant des semiconducteurs III-V antimoniures constituait un véritable « challenge » au sens anglo-saxon du terme. À cet instant, seuls deux autres laboratoires au monde visaient un tel but —le CNET et Sandia National Laboratory—. Les résultats que nous avons obtenus au cours de ces trois dernières années nous hissent à présent au même niveau de compétence.

En résumé, ce travail a démontré pour la première fois la grande capacité des antimoniures sur substrat de GaSb pour la réalisation de miroirs de Bragg à très haut pouvoir réflecteur dans le proche infrarouge et pour la réalisation de laser à cavité verticale dans la même gamme de longueur d’onde. Quoique surprenant, le développement de structures sur substrat de GaSb n’avait pas été jusqu’à présent évalué pour cet objectif à 1,55 µm et nous avons donc fait en ce sens un travail de pionnier qui mérite d’être poursuivi. D’une façon plus détaillée, rappelons les résultats essentiels décrits dans ce mémoire.

En premier lieu, nous avons établi les conditions de croissance du quaternaire AlGaAsSb à la fois sur InP et sur GaSb.

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♦ Nous avons montré que la réduction de la température de croissance permettait un accès plus facile à l’accord de maille alors que pour des températures de substrat de 500°C il était quasiment impossible d’incorporer sur InP les 50% d’antimoine requis par la stoechiométrie.

♦ Nous avons aussi montré que le contrôle de l’accord de maille était aussi plus aisé lorsque le rapport du flux des éléments V à celui des éléments III est proche de un.

Ceci a été conforté par de nombreuses croissances à la fois sur InP et sur GaSb et ces conditions expérimentales fines n’ont pu être certifiées en pratique à chaque croissance que grâce à la mise en place de techniques de mesures de flux de chacun des éléments III et V par la mesure des oscillations RHEED.

En second lieu, il a été nécessaire d’imaginer, de réaliser et de valider des couches actives émettant à 1,55 µm sur GaSb. À cette fin, les puits quantiques de GaSb avaient été déjà évalués dans la littérature et avaient alors montré leur faible efficacité liée majoritairement aux recombinaisons non-radiatives de type Auger. Notre apport en ce domaine est original et se résume en deux points :

♦ Nous avons montré pour la première fois que la croissance de puits contraints de GaInSb destinés à émettre à 1,55 µm pouvait être obtenue malgré la forte tendance de l’Indium à migrer à travers les interfaces. Des conditions expérimentales en terme de température de substrat et d’arrêt de croissance lors de la réalisation des puits ont été définies pour réaliser le bon compromis entre une bonne qualité d’interface et une bonne intensité de photoluminescence.

♦ L'introduction de cette couche active au sein d’une structure laser émettant par la tranche a permise d’observer l’effet laser à 1,55 µm sur ce genre de structure et ce même à température ambiante.

En troisième lieu, nous avons combiné les apports des deux premiers points en concevant et réalisant une structure complète à cavité verticale destinée à l’émission à 1,55 µm. Les points forts en sont :

♦ La démonstration de la très grande potentialité des antimoniures sur GaSb pour la réalisation de miroirs de Bragg à haut pouvoir réflecteur dans le proche infrarouge.

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♦ L’obtention d’une structure VCSEL de 3λ de longueur optique de cavité résonnante à 1,5 µm à température ambiante. Malheureusement ce composant n’a pas donné d’effet laser car la couche active n’est pas assez performante à cette température bien qu’elle ait montré de l’électroluminescence à 77K.

Une légère déception subsiste concernant cette dernière tentative puisque nous n’avons pu obtenir le fonctionnement laser. Néanmoins, je dois souligner ici le très petit nombre d’essais réalisés, ce qui est totalement explicable à la fois par le manque de temps et par la lourdeur des expériences, qui imposent dans cet exemple une croissance répartie sur deux journées complètes. En pratique cette durée pourrait être considérablement raccourcie si nous disposions de deux cellules à effusion d’Aluminium dans le bâti d’EJM. Notons aussi que la réalisation de VCSELs requiert une très grande maîtrise et une très grande homogénéité des épaisseurs des couches déposées pour obtenir l’accord de cavité centré au milieu du domaine de pouvoir réflecteur maximum des miroirs de Bragg. Ce dernier point est la pierre angulaire actuelle sur laquelle achoppe la plupart des laboratoires investis dans ce sujet.

En terme de perspectives, il est évident grâce à ce travail que si l’objectif immédiat est un fonctionnement à 77K pour un VCSEL antimoniure, les solutions proposées dans ce mémoire sont tout à fait satisfaisantes et devraient aboutir au vu de la qualité à la fois des miroirs et des couches actives réalisées. Si par contre l’objectif reste un fonctionnement à 300K je pense qu’il serait préférable d’envisager la zone active en y incluant des puits de GaInAsSb où l’introduction d’Arsenic aurait le double effet de réduire la contrainte dans les puits et de diminuer les recombinaisons Auger. En tout état de cause il est pour “moi“ évident au terme de ma Thèse que les antimoniures constituent de fait une excellente solution à la réalisation de lasers à cavité verticale fonctionnant aux longueurs d’ondes des télécommunications.

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