Hétérostructures GaN/AlGaN pour l'optoélectronique infrarouge: orientations polaires et non-polaires

par Caroline Lim

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Eva (phys) Monroy.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) depuis le 07-10-2014 .


  • Résumé

    Les rayons T, souvent appelés rayonnement terahertz ou ondes submillimétriques, sont généralement définis comme les longueurs d'onde de 30 µm à 1000 µm, ou les fréquences comprises entre 10 THz et 300 GHz. Ce rayonnement non ionisant apparaît comme une alternative inoffensive aux rayons X pour des applications dans la mdédecine, la biologie et les contrôles de sécurité. Les solutions actuelles en termes de sources cohérentes de rayons T ont l'inconvénient soit de nécessiter des températures cryogéniques soit d'être des équipements relativement volumineux à base de matériaux optiquement pompés. Les lasers à cascade quantique à état solide basés sur le matériau GaAs de nos jours utilisés ont une température de fonctionnement intrinsèquement limitée: la faible énergie de phonon longitudinal-optique (LO) dans les composés arséniure empêche l'émission laser au-delà de 180 K à 4 THz, et oblige de travailler à la température de l'azote liquide (<70 K) pour des fréquences inférieures à 1 THz. Surmonter cette limitation exige une révolution technologique avec l'introduction d'un nouveau matériau. Ce projet vise à explorer une nouvelle technologie de semi-conducteurs, avec pour but le développement de nouveaux dispositifs photoniques à haute performance opérant dans la région spectrale THz. Les nouveaux matériaux que nous allons étudier sont des super-réseaux composés de semi-conducteurs nitrure [GaN / Al (Ga, In) N], structures permettant de tirer profit des propriétés uniques des semi-conducteurs III-nitrures, à savoir la grande énergie de LO-phonon et la forte interaction électron-phonon. Notre objectif est d'adapter la structure en cascade quantique et les technologie de fabrication connues à ces nouveaux matériaux, qui sont caractérisés par des champs de polarisation internes intenses. Notre projet vise à pousser les transitions intersousbandes dans cette famille de matériaux à des grandes longueurs d'onde encore non-explorées, afin de couvrir l'ensemble de la zone spectrale THz avec des sources à état solide cohérentes fonctionnant à température ambiante.

  • Titre traduit

    GaN/AlGaN heterostructures for infrared optoelectronics: polar vs nonpolar orientations


  • Résumé

    T-rays, often called terahertz radiation or submillimeter waves, are loosely defined as the wavelengths from 30 µm to 1,000 µm, or the frequencies from 10 THz to 300 GHz. This non-ionizing radiation appears as a harmless alternative to x-rays in medical, biological and security screening. Current solutions in terms of coherent sources of T-rays either require cryogenic temperatures or are relatively bulky equipments based on optically-pumped materials. The solid-state recourse consisting of GaAs-based quantum cascade lasers presents an intrinsic limitation in operation temperature: The low energy of the longitudinal-optical (LO) phonon in arsenide compounds hinders laser emission beyond 180 K at 4 THz, and forces operation below the liquid nitrogen temperature (< 70 K) for frequencies below 1 THz. Overcoming this limitation requires a technology revolution through introduction of a new material system. This project aims at exploring a novel semiconductor technology for high-performance photonic devices operating in the T-ray spectral region. The advanced materials that we will investigate consist of nitride-based [GaN/Al(Ga,In)N] superlattices and nanowires, where we can profit from unique properties of III-nitride semiconductors, namely the large LO-phonon energy and the strong electron-phonon interaction. Our target is to adapt the quantum cascade design and fabrication technology to these new materials, characterized by intense internal polarization fields. Our project aims at pushing intersubband transitions in this material family to unprecendently long wavelengths, in order to cover the whole T-ray spectral gap with coherent solid-state sources operating at room temperature.