Development of AlGaN nanostructures for the fabrication of electron pumped UV lasers
Développement de nanostructures à base d'AlGaN pour la fabrication lasers UV à pompage électronique
Résumé
There is a growing demand for compact semiconductor-based ultraviolet lasers for application domains such as disinfection, medical treatments, non-line-of-sight communication, Lidar remote detection or 3D printing. This spectral region is mainly covered by excimer lasers, which come with many restrictions due to the use of corrosive halogen gases, or frequency conversion lasers, despite their limitation in terms of wavelength flexibility. Within this context, AlGaN is a promising material due to its direct wide band gap, band engineering capabilities and wavelength tunability. However, the performance of AlGaN-based laser diodes remains limited due to carrier injection problems. The high doping concentrations required to achieve p-type conductivity degrade the material quality and increase the absorption losses, resulting in a sharp increase of the lasing threshold for devices emitting below 370 nm. As an alternative, we propose to directly pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam, obviating any need of doping or ohmic contacts.This thesis is a contribution to the development of AlGaN-based electron beam pumped ultraviolet lasers. AlGaN/GaN heterostructures were designed to be used as active region for electron beam pumped lasers operated with an acceleration voltage ≤ 10 kV and emitting at 355 nm. Separate confinement heterostructures consisting in an AlGaN/GaN multi-quantum-well embedded in an all-AlGaN waveguide were fabricated by plasma-assisted molecular beam epitaxy. We discuss the implementation of graded layers to improve the carrier collection under electron beam pumping, and their impact on the lasing threshold. We find that the lasing threshold is decorrelated from the radiative efficiency of the quantum wells, which is very sensitive to carrier localization. Lasing is demonstrated at room temperature under optical pumping for AlGaN/GaN laser bars of different cavity lengths, emitting at 355 nm. In view of the optical losses coming from cleaved facets, a two-step etching process was developed to fabricate optical cavities with high reflectivity facets, which reduced the optical lasing threshold to 100 kW/cm2 for a 0.3-mm-long cavity at room temperature. From this value, we estimate a lasing threshold for electron beam pumping around 240 kW/cm2 at room temperature. Finally, we present a preliminary study towards the fabrication of AlxGa1-xN/AlyGa1-yN heterostructures targeting emission at 280 nm for germicidal applications, applying the knowledge obtained from AlGaN/GaN structures.
Il existe une demande croissante pour des lasers ultraviolets compacts à base de semi-conducteurs pour des domaines d'application tels que la désinfection, les traitements médicaux, la communication sans visibilité directe, la détection à distance Lidar ou l'impression 3D. Cette région spectrale est principalement couverte par les lasers excimères, qui présentent de nombreuses restrictions dues à l'utilisation de gaz halogènes corrosifs, ou les lasers à conversion de fréquence, malgré leur limitation en termes de flexibilité de longueur d'onde. Dans ce contexte, l'AlGaN est un matériau prometteur en raison de sa large bande interdite directe, de ses capacités d'ingénierie de bandes et de son accordabilité en longueur d'onde. Cependant, les performances des diodes laser à base d'AlGaN restent limitées en raison de problèmes d'injection de porteurs. Les fortes concentrations de dopage nécessaires pour obtenir une conductivité de type p dégradent la qualité du matériau et augmentent les pertes par absorption, entraînant une forte augmentation du seuil d'émission laser pour les dispositifs émettant en dessous de 370 nm. En alternative, nous proposons de pomper directement une région active à base de nanostructures d'AlGaN avec un faisceau d'électrons, s'affranchissant de tout besoin de dopage ou de contacts ohmiques.Cette thèse est une contribution au développement de lasers ultraviolets pompés par faisceau d'électrons à base d'AlGaN. Des hétérostructures AlGaN/GaN ont été conçues pour être utilisées comme région active pour des lasers pompés par faisceau d'électrons fonctionnant avec une tension d'accélération ≤ 10 kV et émettant à 355 nm. Des hétérostructures à confinement séparé constituées d'un multi-puits quantique AlGaN/GaN intégré dans un guide d'onde tout-AlGaN ont été fabriquées par épitaxie par faisceaux moléculaires assistée par plasma. Nous discutons de la mise en place de couches à alliage graduée pour améliorer la collecte des porteurs sous pompage par faisceau d'électrons, et nous analysons leur impact sur le seuil d'effet laser. Nous constatons que le seuil laser est décorrélé de l'efficacité radiative des puits quantiques, qui est très sensible à la localisation des porteurs. L’effet laser est démontré à température ambiante sous pompage optique pour des barres laser AlGaN/GaN de différentes longueurs de cavité, émettant à 355 nm. Compte tenu des pertes optiques provenant des facettes clivées, un procédé de gravure en deux étapes a été développé pour fabriquer des cavités optiques à facettes à haute réflectivité, ce qui a réduit le seuil de laser optique à 100 kW/cm2 pour une cavité de 0,3 mm de long à température ambiante. A partir de cette valeur, nous estimons un seuil d’émission laser pour le pompage par faisceau d'électrons autour de 240 kW/cm2 à température ambiante. Enfin, nous présentons une étude préliminaire vers la fabrication d'hétérostructures AlxGa1-xN/AlyGa1-yN ciblant l'émission à 280 nm pour des applications germicides, en appliquant les connaissances obtenues à partir des structures AlGaN/GaN.
Domaines
Physique [physics]
Origine : Version validée par le jury (STAR)