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N. BOUKLI-HACENE , K. ZITOUNI, A. KADRI PowerPoint PPT Presentation


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I nternational C onference on N ano- M aterials and R enewable Energies ICNMRE , Safi, Morocco, July 5-8, 2010. Départment of Physics Faculty of Sciences University of ORAN ALGERIA. L.E.M.O.P . Antimony-based Quantum Cascade Laser for Pollution detection and monitoring.

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N. BOUKLI-HACENE , K. ZITOUNI, A. KADRI

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Presentation Transcript


International Conference on Nano-Materials and Renewable Energies ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010

Départment of Physics

Faculty of Sciences

University of ORAN ALGERIA

L.E.M.O.P.

Antimony-based Quantum Cascade Laser

for Pollution detection

and monitoring

N. BOUKLI-HACENE, K. ZITOUNI, A. KADRI

Laboratoired’Étude des MatériauxOptoélectroniques etPolymères


Summary

Intersub conduction band type II quantum cascade semi-conductor

INTRODUCTION

  • Introduction

  • Quaternary/Quinaryhétérostructures

  • Optimisation of the structure of quantum cascade lasers based on quaternary/Quinaryhétérostructures

Mid-infrared(MIR):

2m  10m

  • Conclusion

Many applications

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


 Métrology/Spectroscopy

Longueur d’onde (µm)

Absorption spectra of variousgases as a function of the wavelength

Forces de raie (cm/molécules)

CO, NO, CO2, SO2,…

  • Trace gasdetection

Nombre d’onde (cm-1)

  • Contrôl of industrialprocéssés

Faisceau laser

Faisceau laser

  • Remotesensing

Source

laser

Photo

détecteur

Need of sensitive and selective sources in the mid-infrared(MIR)

Christian Mann, Q.Yang, F. Fuchs, C. Manz, W. Bronner, and J. Wagner, Fraunhofer-InstitutfürAngewandteFestkörperphysik Freiburg i. Br. (Germany), Lancaster (2005)


2 types of semiconductorlasers for MIR applications

Inter-band lasers:

AntimonidesIII-V:

InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb: λ ≤ 2.8µm;

InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb:

λ≤ 3.2µm

Inter-subband Quantum Cascade Lasers (QCL):

GaInAs/AlInAs/InP ;

GaAs/AlGaAs et InAs/AlSb

3.5 μm≤ λ ≤100 μm

NIR MIR FIR

Ultra-violet

visible

0.1 0.4 0.7 2 3 4 5 8 10 12 100

Longueur d’onde (µm)

NIR: nearinfrarouge: 0.78µm ≤ λ ≤ 2µm

MIR: mid-infrarouge: 2µm ≤ λ ≤ 10µm

FIR: Far infrarouge: 10µm ≤ λ ≤ 100µm

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Ez

n-doped

e2

Electron levels

e1

hv

Holelevels

Périod"a"

p-doped

hv

hv

hv

Inter-band transition in a type I hétérostructure.

Growth axis

Inter-bandes

Inter-subband

eEza

hv

Transitions inter-subband in a QCL

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


  • Inter-band lasers:

InGaAsSb/AlGaAsSb-GaSb

λ ≤ 2.8µm

InGaAsSb/InGaAlAsSb-GaSb

λ ≤ 3.2µm

  • Limitation on wavelength, due to photon energydependence on the band gap :

1. Chemicallimit

2. Constraint: Δa/a < 2%

3. Hétérostructureof type I

  • Functioninglimitéd by température due to effet Auger

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


  • Lasers inter-subbandes:

  • Emittedwavelengthisdetermined by the quantum confinement

Émission in mid- and far-infrarouge (2 µm≤ λ ≤ 100 µm)

  • One canworkwith type II hétérostructures

no Auger effect

  • Unipolardevices

  • Structure composéd of severalidenticalpériods, allowing the emittance of several photons

Veryhigh power

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


  • Structure Cascade Quantique Laser (QCL):

Mini-bande

Mini-bande

Mini-bande

Mini-bande

Mini-gap

Mini-gap

Mini-gap

Mini-gap

E3

E3

Mini-bande

Mini-bande

Mini-bande

Mini-bande

Injection zone

E2

E2

E1

E1

Active zone

Zone d’injection

Zone active

E3

E3

Zone d’injection

Zone active

E2

E2

Zone d’injection

E1

E1

Zone active

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994)


  • Structure Cascade Quantique Laser (QCL):

Mini-bande

Mini-bande

Mini-gap

Mini-gap

Zone d’injection

Mini-bande

Mini-bande

Zone active

E3

E3

Zone d’injection

  • Maîtrise technologique

E2

E2

2. Constraint: Δa/a < 2%

Zone active

E1

E1

3. Large Ec

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Intérêt des Antimoniures dans les QCL

Filière InP: QCL based on AlInAs/GaInAs/InP

λ = 4.2µm

Filière GaAs: QCL based on GaAs/Al0.33Ga0.67As

λ = 8µm

Filière Antimoniure: QCL based on InAs/AlSb

λ = 2.75 µm

1. Large Ec

2. Verysmall effective mass

g Z3222 (m*)-3/2[1]

g: gain coefficient, Z32: élément of dipolarmatrix,τ2: life time of électron on levelE2

10

[1] Carlo Sirtori, Quantum Cascade Lasers: Overview of Basic principles of operation and state of the art, (2006)

C. Sirtori, P. Kruck, S. Barbieri, P. Collot, J. Nagle, M. Beck, J. Faist, U. Oesterle, Appl. Phys.Lett., 73, p. 3486 (1998)

J. Devenson, O. Cathabard, R. Teissier, and A. N. Baranov., Applied Physics Letters, 91, 251102, (2007)

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264 (1994)


Énergie du gap (eV)

Wavelength(µm)

Paramètre de maille (Å)

Semi-conducteurs based on antimonides

Size of forbidden band gap as a function of lattice constant

Ternaires: InxGa1-xSb, AlxGa1-xSb, AlxIn1-xSb

Quaternaires: InxGa1-xAsySb1-y, AlxGa1-xAsySb1-y

Quinaire: InxGayAl1-x-yAszSb1-z

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Variation de l’énergie de la bande interdite en fonction de la composition du composé InxGayAl1-x-yAszSb1-z

WhyQuinaire alloy: InxGayAl1-x-yAszSb1-z?

Un alliage Quinaire du type AxByC1-x-yDzE1-z est constitué de 5 atomes: 3 atomes de la colonne III (A, B et C) et 2 atomes de la colonne V (D et E) du tableau périodique.

  • 3 degrés of freedom

  • Improve the constraint, confinement and life time of charge carriers

  • Hétérostructure: InxGa1-xAsySb1-y/InxGayAl1-x-yAszSb1-z

  • To réalise good compounds, one has a contraint ≤ 2%

  • One has to find good alloy compositions to avoiddefects

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Well

Well

Barrièr

Barrièr

BC

BC

Well

Well

E1

E1

Barrièr

Barrièr

Ehh

Ehh

BV

BV

Elh

Elh

  • Effect of the contraint on the energylevels:

apuitsabarrière →expansion

apuits abarrière →compression

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Hétérostructure à Cascade Quantique:

Quaternaire/Quinaire

Champ électrique V= -48kV/Cm

Champ électrique V= 0kV/Cm

Champ électrique V=0kV/Cm

Mini-gap

Mini-bande

Énergie (eV)

Énergie (eV)

Énergie (eV)

Zone active

Zone active

Zone active

Axe de croissance (m)

Axe de croissance (m)

Axe de croissance (m)

Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95/ In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90. L’épaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière d’injection: 3.4/ 3.2/ 2/ 2.8/ 2.3/2.3/2.5/2.3/2.5/2.1/4.8/1.5/3/3.9/2.7/4/3.4/3.2/2/2.8/2.3/2.3/2.5. Les barrières sont en gras et les couches dopées sont soulignées.


λ (µm) = f(E32) =

  • Introduction

1. Choix du puits InxGa1-xAsySb1-y

E3

Transition optique

  • Hétérostructures Quaternaire/Quinaire

E2

E1

Transition avec un phonon

Optimisation de la structure Laser à cascade quantique à

base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire

  • Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire

Zone active d’un QCL

Lz: largeur du puits (de l’ordre du nanomètre 10-9 nm)

m*: masse effective de l’alliage quaternaire InxGa1-xAsySb1-y

  • Conclusion

me*(puits) = 0.022 m0

In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Ez = - 48 kV/Cm

Énergie (eV)

Axe de croissance (m)

2.Choix de la barrière InxGayAl1-x-yAszSb1-z

ΔEc = 0.488 eV

L’alliage Quinaire: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90

Δa/a = -0.003

Zone active

Profil de la bande de conduction d'un laser à cascade quantique In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 / In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90. L’épaisseur en nanomètre des couches est, à partir de la barrière d’injection: 3.4/ 3.2/ 2/ 2.8/ 2.3/2.3/2.5/2.3/2.5/2.1/4.8/1.5/3/3.9/2.7/4/3.4/3.2/2/2.8/2.3/2.3/2.5. Les barrières sont en gras et les couches dopées sont soulignées.


V= -60kV/Cm

λ= 1,88 µm

Énergie (eV)

V= 0kV/Cm

λ= 11.72 µm

Énergie (eV)

Axe de croissance (m)

V= -48kV/Cm

λ= 6,93 µm

Énergie (eV)

Axe de croissance (m)

Axe de croissance (m)

Effet du champ électrique sur la longueur d’onde

Zone active

Zone active

Zone active


Variation de la longueur d’onde en fonction du champ électrique appliqué

1.88 ≤λ(µm) ≤11.72

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


  • Densité de courant de seuil

  • Gains max

Variation de la densité de courant de seuil en fonction de l’inverse de la longueur de la cavité et pour une température T=77°K

Variation du gain max en fonction de la densité de seuil pour différentes températures d’un QCL In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95 / In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90 émettant à 6.93µm


  • Introduction

  • We have studiedfeasibility of antimonide Quantum Cascade Laser InGaAsSb/InGaAlAsSb

  • Hétérostructures Quaternaire/Quinaire

  • III-Sb based compounds are best adapted for realisation of Quantum Cascade Laser

  • Optimisation de la structure Laser à Cascade Quantique à base d’hétérostructure: Quaternaire/Quinaire

  • Usage of quintenarythatpossèsesthreedegrées of flexibilityallows us to improve the constraint effets and confinement, the life time of carriers and subsequently laser gain.

Conclusion

  • Conclusion

LEMOP, Université d’Oran, Algérie ICNMRE, Safi, Morocco, July 5-8, 2010


Conclusion

  • Nous avons optimisé la structure de manière à avoir la bonne géométrie, les bonnes compositions du puits et de barrière pour avoir un bon confinement de porteurs et une faible contrainte. Ceci impose:

Puits: In0.30Ga0.70As0.05Sb0.95

ΔEc = 0.488 eV

Δa/a = -0.003

Barrière: In0.25Ga0.15Al0.60As0.10Sb0.90

  • L’application de la notion de QCL aux hétérostructures à base quaternaire/quinaire permet d’améliorer les performances et le fonctionnement des lasers émettant le moyen infrarouge:

  • Couvre le domaine de longueur d’onde: 2m  10m

  • Densité de seuil: 3.1017 Cm-3

  • Densité de courant de seuil de l’ordre de 1.5kA/Cm2


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