Dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III du proche infrarouge au THz

par Salam Sakr

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François Julien et de Elias Warde.

Le président du jury était Jean-Claude de Jaeger.

Le jury était composé de François Julien, Elias Warde, Jean-Claude de Jaeger, Jean-Yves Duboz, Bernard Gil, Nicolas Grandjean.

Les rapporteurs étaient Jean-Yves Duboz, Bernard Gil.


  • Résumé

    Les dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III ont des propriétés très intéressantes pour l’optoélectronique et la photonique dans l’infrarouge. Les hétérostructures formées par l’AlN et le GaN ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction de 1.75 eV et permettent donc de couvrir les deux extrémités du spectre électromagnétique infrarouge. Ces matériaux sont en outre caractérisés par des temps de relaxation ISB extrêmement courts et sont par conséquent des candidats potentiels pour le développement de composants optoélectroniques ultrarapides aux longueurs d’onde des télécommunications. D’autre part, grâce à l’énergie du phonon LO élevée dans ces matériaux, ces hétérostructures ouvrent la voie vers la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à la température ambiante. Dans ce contexte, je présente dans une première partie de ma thèse une étude théorique et expérimentale du transport électronique dans des hétérostructures GaN/Al(Ga)N simples comme les diodes tunnel résonnantes (DTRs) et plus complexes comme les multi-puits quantiques. La modélisation du transport quantique dans les DTRs AlGaN/GaN m’a permis de mettre en évidence la dépendance de résonance quantique du signe de la tension appliquée et de la composition des barrières. Du point de vue expérimental, je montre que le comportement électrique instable dans ces dispositifs est dû aux défauts dans le matériau. Dans les structures à multi-puits, je présente la première évidence expérimentale d’un transport tunnel résonnant reproductible. Dans une deuxième partie, je propose et développe plusieurs principes originaux de détecteurs à cascade quantique (QCD)s GaN/AlGaN entre 1 et 2 μm fonctionnant à la température ambiante. Je montre en utilisant des techniques de mesure de spectroscopie femtoseconde qu’ils sont intrinsèquement ultrarapides (picoseconde). Je développe aussi des micro-QCDs qui présentent une bande passante au-delà des 40 GHz. La conception des QCDs à plus grandes longueurs d’onde est discutée. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je présente une étude spectroscopique dans le THz de superréseaux à base de GaN. Je montre que l’utilisation de puits quantiques à marche de potentiel permet d’accorder l’absorption ISB dans le THz. Je présente ensuite la première démonstration de l’électroluminescence intersousbande de 2 à 9 THz.

  • Titre traduit

    Intersubband devices based on III-nitrides from near infrared to THz


  • Résumé

    Intersubband devices based on III-nitrides have interesting properties for optoelectronics and photonics applications in the infrared. The heterostructures of these materials have a large conduction band offset of 1.75 eV and therefore allow covering the whole infrared electromagnetic spectral range. Furthermore, these materials are characterized by extremely short ISB relaxation times and are, consequently, potential candidates for the development of ultrafast optoelectronic devices at the fiber optics telecommunication wavelengths for fiber optics or for free space communication. On the other hand, thanks to the large LO phonon energy in these materials, these heterostructures offer the possibility of fabricating compact THz lasers operating at room temperature. In this context, I firstly present in this manuscript a theoretical and an experimental study of the electronic transport in simple AlGaN/GaN heterostructures namely resonant tunneling diodes and more complex structures such as multi-quantum wells based on III-nitrides. The modeling of the transport in RTDs shows the dependency of the current resonances on the sign of the applied voltage as well as the height of the double barrier. I also demonstrate that the experimentally observed electrical instabilities in these devices are due to the defects in the material. In the multiple quantum well structures, I give the first evidence of reproducible resonant tunneling transport. In chapter 3, I propose and develop several principles of quantum cascade detectors in the near infrared between 1 and 2 μm operating at room temperature. I demonstrate, using time-resolved bias-lead monitoring technique, that they are intrinsically very fast (picosecond). I also develop micro - QCD devices that have a -3 dB cut-off frequency beyond 40 GHz. The design of QCDs operating at longer wavelengths is discussed. In the last part of the manuscript, I present a spectroscopic study of GaN superlattices with ISB transitions in the far-infrared. I show that the utilization of step quantum wells allows to tune the ISB absorption frequency to the THz. I finally present the first demonstration of the intersubband electroluminescence from 2 to 9 THz in these structures.


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