Brevet FR3048561A1 — publié le 20170908

« Laser à cascade quantique » La présente invention concerne un laser à cascade quantique. Le domaine de l'invention est le domaine des lasers à semi- conducteurs, et plus particulièrement le domaine des lasers à cascade quantique. Etat de la technique Les lasers à cascade quantique sont des lasers réalisés à partir d'une hétérostructure semiconductrice constituée d'une région de gain formée par une structure à multi-puits quantique insérée entre deux couches de confinement, également appelées « cladding » en anglais, formant un guide d'onde optique. Une couche passive avec une absorption optique faible, appelée « spacer » en anglais, peut être disposée entre la région de gain et la couche de confinement. La région de gain est généralement composée d'un empilement d'un ensemble de paires de couches comprenant une couche puits et une couche barrière. Cette structure est pompée par un courant électrique circulant perpendiculairement aux couches qui la composent. Le champ électrique dans la région de gain peut atteindre une valeur très grande, de l'ordre de 10 kV/cm à plus de 100 kV/cm Cependant, les lasers à cascade quantique souffrent d'un courant parasite, également appelé « courant de trous », qui dégrade les performances du laser, en particulier à température ambiante. Ce courant est formé par des trous, générés dans la zone de sortie des électrons de la région de gain, et qui se propagent dans la région de gain. De plus, le courant de trous est activé thermiquement et peut être renforcé par un mécanisme d'ionisation par impact de trous. La valeur du courant parasite augmente avec la diminution de l'énergie de bande interdite du matériau utilisé. Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. 3048561 -2 Un autre but de l'invention est de proposer un laser à cascade quantique présentant un courant de trous plus faible, voire nul. Il est aussi un but de l'invention de proposer un laser à cascade quantique présentant de meilleures performances, en particulier à 5 température ambiante. Encore un autre but de l'invention est de proposer un laser à cascade quantique dont les performances sont moins dégradées même lorsque l'énergie de bande interdite du matériau utilisé est faible. 10 Exposé de l'invention L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un laser à cascade quantique, comprenant une région de gain insérée entre deux couches de confinement optique, ladite région de gain présentant une entrée d'électrons dans la région de gain et une sortie d'électrons de ladite région 15 de gain. Selon l'invention, le laser à cascade quantique comprend une zone de blocage de trous. Ainsi, l'invention propose un laser à cascade quantique muni d'une zone de blocage de la propagation des trous dans ledit laser. Par 20 conséquent, les trous générés dans ledit laser, et en particulier dans la bande de valence dudit laser, ne peuvent plus se propager dans la région de gain, en particulier de la sortie des électrons de la région de gain vers l'entrée d'électrons dans la région de gain. La propagation des trous étant bloquée par la barrière formée par la zone de blocage, le courant de trous 25 dans la région de gain est très faible, voire nul. Ainsi, l'invention permet d'obtenir un laser à cascade quantique de meilleures performances, en particulier à température ambiante. De plus, les performances d'un tel laser à cascade quantique sont moins dégradées même lorsque l'énergie de bande interdite du matériau utilisé pour réaliser 30 le laser selon l'invention est faible. Préférentiellement, la zone de blocage de trous peut être agencée du côté de la sortie d'électrons de la région de gain. 3048561 -3 Plus particulièrement, la zone de blocage de trous peut être agencée au niveau de la jonction de la région de gain avec une couche de confinement, ou avec une couche passive de type spacer. 5 Préférentiellement, la zone de blocage de trous peut présenter un profil d'énergie de bande de valence, qui diminue pour atteindre un minimum local puis qui augmente, dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain vers la sortie d'électrons de la région de gain. Un tel profil d'énergie constitue une barrière efficace contre la 10 propagation des trous dans la région de gain. Dans un mode de réalisation non limitatif, en aval du minimum local, dans le sens allant de l'entrée d'électrons vers la sortie d'électrons, l'énergie de bande de valence dans la zone de blocage peut augmenter d'une valeur 15 prédéterminée supérieure ou égale à l'énergie thermique à température ambiante, en particulier supérieure ou égale à 25 meV, et préférentiellement supérieure ou égale à 50 meV. Autrement dit, l'augmentation d'énergie de la bande de valence après le minimum local peut être d'une valeur prédéterminée supérieure ou égale 20 à l'énergie thermique à la température maximale de fonctionnement visée Suivant un exemple de réalisation préféré, mais nullement limitatif, la valeur prédéterminée est supérieure ou égale à 25meV. Suivant un exemple de réalisation préféré, mais nullement limitatif, la valeur prédéterminée est supérieure ou égale à 50meV. 25 Les valeurs d'énergie données ci-dessus, sont particulièrement adaptées lorsque le matériau utilisé pour la couche puits est de l'InAs, sans être limitées à ce matériau. Une telle augmentation d'énergie permet de créer une barrière énergétique efficace contre la propagation des trous dans la région de gain. 30 Les trous sont ainsi cantonnés en aval du minimum local et ne peuvent pas passer en amont du minimum local. Suivant une version préférée, la zone de blocage de trous peut présenter une énergie de bande interdite effective qui augmente, atteint une 3048561 -4 valeur maximale, puis diminue dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain vers la sortie d'électrons de la région de gain. Dans la présente invention, l'« énergie de bande interdite effective » représente la somme de l'énergie de bande interdite entre la bande de 5 valence et la bande de conduction du matériau puits, de l'énergie de confinement du premier niveau d'électrons et de l'énergie de confinement du premier niveau de trous. Suivant un mode de réalisation, la région de gain et la zone de 10 blocage peuvent, chacune, comprendre un empilement de couches puits et de couches barrière, et en particulier une répétition de paires de couches composées d'une couche puits et d'une couche barrière. Dans une version avantageuse du laser selon l'invention, l'épaisseur 15 d'au moins une couche puits de la zone de blocage peut être inférieure à l'épaisseur d'au moins une couche puits dans la région de gain. Le fait que la zone de blocage comporte des couches puits de plus faible épaisseur par rapport à la région de gain permet de créer un minimum local dans le profil d'énergie de la bande de valence, respectivement un 20 maximum local dans l'énergie de bande interdite effective. Suivant un exemple de réalisation particulièrement avantageux, l'épaisseur des couches puits de la zone de blocage peut diminuer pour atteindre un minimum puis augmenter, dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain vers la sortie d'électrons de la région de 25 gain. En particulier, la diminution respectivement l'augmentation, de l'épaisseur des couches puits dans la zone de blocage peut être progressive ou discontinue. Plus particulièrement, les couches puits de la zone de blocage peuvent 30 avoir une épaisseur qui : - diminue progressivement à partir d'une valeur, dite de départ, correspondant à l'épaisseur d'une couche puits, et en particulier de la dernière couche puits, dans la région de gain pour atteindre 3048561 -5 une valeur, dite minimale, correspondant à la moitié de ladite valeur de départ ; - puis, augmente progressivement à partir de ladite valeur minimale pour atteindre une valeur, dite d'arrivée, supérieure ou 5 égale à ladite valeur de départ. En particulier, l'épaisseur d'au moins une couche puits de la zone de blocage peut être inférieure ou égale à 80%, et plus particulièrement inférieure ou égale à 50%, de l'épaisseur d'au moins une couche puits de région de gain. 10 Les inventeurs ont constaté qu'une épaisseur minimale de couche puits dans la zone de blocage égale à 50% de l'épaisseur maximale de couche puits dans la région de gain, permet d'obtenir une barrière efficace contre la propagation des trous dans la région de gain. 15 Alternativement ou en plus de ce qui vient d'être décrit pour les couches puits, l'épaisseur d'au moins une couche barrière de la zone de blocage peut avantageusement être supérieure à l'épaisseur d'au moins une couche barrière dans la région de gain. Le fait que la zone de blocage comporte des couches barrière de plus 20 grande épaisseur par rapport à la région de gain permet de créer un minimum local dans le profil d'énergie de la bande de valence, respectivement un maximum local dans l'énergie de bande interdite effective. Suivant un exemple de réalisation particulièrement avantageux, 25 l'épaisseur des couches barrière dans ladite zone de blocage peut augmenter pour atteindre un maximum puis diminuer, dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain vers la sortie d'électrons de la région de gain. En particulier, l'augmentation, respectivement la diminution, de 30 l'épaisseur des couches barrières dans la zone de blocage peut être progressive ou discontinue. Plus particulièrement, les couches barrière de la zone de blocage peuvent avoir une épaisseur qui : 3048561 -6 - augmente progressivement à partir d'une valeur, dite de départ, correspondant à l'épaisseur d'une couche barrière, et en particulier de la dernière couche barrière, dans la région de gain pour atteindre une valeur, dite maximale, correspondant au 5 double de ladite valeur de départ ; - puis, diminue progressivement à partir de ladite valeur maximale pour atteindre une valeur inférieure ou égale à ladite valeur de départ. En particulier, l'épaisseur d'au moins une couche barrière de la zone 10 de blocage peut être supérieure ou égale à 150%, et plus particulièrement supérieure ou égale à 200%, de l'épaisseur d'au moins une couche barrière dans la région de gain. Les inventeurs ont constaté qu'une épaisseur maximale de couche barrière dans la zone de blocage égale à 200% de l'épaisseur minimale de 15 couche barrière dans la région de gain, permet d'obtenir une barrière efficace contre la propagation des trous dans la région de gain. Préférentiellement, dans la zone de blocage, au moins une, en particulier chaque, couche puits ou barrière peut être dopée de type N. 20 Le dopage de type N peut être plus important au centre la zone de blocage, par rapport au début et à la fin de ladite zone de blocage. Tel que décrit plus haut, la région de gain, respectivement la zone de blocage, peut être formée par un empilement de plusieurs couches puits et 25 de plusieurs couches barrière alternées. Suivant un exemple de réalisation préféré, mais nullement limitatif, chaque couche puits de la région de gain, respectivement de la zone de blocage, peut être réalisée en Arséniure d'Indium (InAs). Suivant un exemple de réalisation préféré, mais nullement limitatif, 30 chaque couche barrière de la région de gain, respectivement de la zone de blocage, peut être réalisée en Antimoniure d'Aluminium (AlSb). 3048561 -7 Suivant une première version du laser selon l'invention, lorsque la région de gain est réalisée par un empilement de couches puits et de couches barrière, et en particulier par un empilement de paires de couches composées d'une couche puits et d'une couche barrière superposées, alors 5 la zone de blocage peut être formée par un sous ensemble dudit empilement de couches du côté de la sortie d'électrons, et en particulier au niveau de la jonction de ladite région de gain avec une couche de confinement, ou avec une couche passive de type spacer. 10 Suivant une deuxième version, la zone de blocage peut se présenter sous la forme d'un empilement de couches, indépendante(s) de la région de gain. Une telle zone de blocage indépendante peut être disposée : - au contact direct avec la région de gain, ou 15 - au contact indirect de la région de gain, par exemple par l'intermédiaire d'un injecteur. La zone de blocage peut par exemple se trouver entre la région de gain et un spacer, du côté de la sortie des électrons de ladite région de gain. 20 Suivant un autre mode de réalisation, la zone de blocage peut ne pas être formée par un empilement de couches puits et barrière. Dans ce mode de réalisation, la zone de blocage peut être formée par une unique couche, réalisée en un alliage dont la composition varie de manière continue, en vue de reproduire le profil d'énergie de bande de 25 valence, et/ou le profil d'énergie de bande interdite effective, décrit(s) plus haut. Un tel alliage peut être un alliage composé à partir d'un matériau de faible énergie de bande interdite, par exemple d'Arséniure d'Indium (InAs), et d'un matériau de grande énergie de bande interdite, par exemple 30 Antimoniure d'Aluminium (AlSb). Un tel alliage peut en particulier présenter un rapport R défini comme : 3048561 _8 R= (teneur en matériau de faible énergie de bande interdite)/(teneur en matériau de grande énergie de bande interdite) dont la valeur diminue progressivement, à partir d'une valeur de départ, pour atteindre une valeur minimale pour ensuite augmenter et atteindre une 5 valeur, dite d'arrivée, en particulier supérieure ou égale à ladite valeur de départ. Le laser à cascade quantique peut être utilisé pour générer une onde optique de longueur d'onde supérieure ou égale à 3pm, en particulier 10 supérieure ou égale à 12pm, et encore plus particulièrement supérieure ou égale à 15 dam. Le laser selon l'invention peut être utilisé pour la détection, la mesure et/ou le suivi de traces de gaz, tel que par exemple pour la surveillance de 15 la pollution, pour des applications de contrôle, dans un but médical ou du respect des règles de droit, car un tel laser émet un rayonnement qui n'est pas absorbé par l'air propre, ou non pollué. Le laser selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour la spectroscopie moléculaire permettant notamment la détection, la mesure 20 et/ou le suivi : - de drogues telles que la cocaïne, l'héroïne, le cannabis ; - d'hexafluorure de soufre (SF6) ou d'hexafluorure d'uranium ; - de composés organiques volatiles, tels que le furane ou l'acide formique ; 25 - des composés utilisés pour la fabrication d'explosifs ; ou - des oxydes d'azote. Description des figures et modes de réalisation 30 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : 3048561 -9 - la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un laser à cascade quantique de l'état de la technique ; - la FIGURE 2 est une représentation schématique de la structure 5 de bande du laser de la FIGURE 1 ; - la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un laser à cascade quantique selon l'invention ; et - la FIGURE 4 est une représentation schématique de la structure de bande du laser de la FIGURE 3. 10 Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un 15 avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à 20 l'état de la technique antérieur. Sur les figures les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple de 25 réalisation d'un laser à cascade quantique de l'état de la technique. Le laser 100 représenté sur la FIGURE 1 comporte une région de gain 102 disposée entre deux couches de confinement, faites d'un matériau ayant un indice optique plus faible que celui de la région de gain, par exemple InAs dopé de type N, 1041 et 1042, également appelées « cladding », formant un 30 guide d'onde optique. La région de gain 102 et chaque couche de confinement 1041 et 1042 présente une épaisseur de l'ordre de quelques microns, typiquement 2 à 5. Le laser 100 peut comporter en outre, entre la région de gain 102 et chaque couche de confinement, respectivement 1041 et 1042, une couche, 3048561 - 10 - respectivement 1061 et 1062, à très faible absorption optique, également appelée « spacer », réalisé par exemple avec de l'InAs faiblement dopé. Chaque spacer 1061 et 1062 présente une épaisseur de l'ordre de quelques dam, typiquement 1 à 3. 5 La région de gain 102 est formée par des empilements de paires de couches comprenant une couche puits 108, et une couche barrière 110,, avec 1 REVENDICATIONS1. Laser (300) à cascade quantique comprenant une région de gain (102) insérée entre deux couches de confinement optique (1041,1042), ladite région de gain (102) présentant une entrée d'électrons dans la région de gain (102) et une sortie d'électrons de ladite région de gain (102), caractérisé en ce que ledit laser comprend une zone (304) de blocage de trous du côté de ladite sortie d'électrons. 2. Laser (300) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de blocage (304) de trous présente un profil d'énergie de bande de valence (402), qui diminue pour atteindre un minimum local (406) puis augmente, dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain (102) vers la sortie d'électrons de la région de gain (102). 3. Laser (300) selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en aval du minimum local (406), dans le sens allant de l'entrée d'électrons vers la sortie d'électrons, l'énergie de bande de valence dans la zone de blocage (304) augmente d'une valeur supérieure ou égale à l'énergie thermique à température ambiante, en particulier supérieure ou égale à 25 meV, et préférentiellement supérieure ou égale à 50 meV. 4. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de blocage (304) de trous présente une énergie de bande interdite effective (408) qui augmente, atteint une valeur maximale, puis diminue dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain (102) vers la sortie d'électrons de la région de gain (102). 5. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région de gain (102) et la zone de blocage (304) comportent, chacune, un empilement de couches puits (108,306) et de couches barrière (110,308), l'épaisseur d'au moins une couche puits (306) de la zone de blocage (304) étant inférieure à l'épaisseur d'au moins une couche puits (108) dans la région de gain (102). 3048561 - 17 - 6. Laser (300) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'épaisseur des couches puits (306) dans la zone de blocage (304) diminue pour atteindre un minimum puis augmente, dans le sens allant de l'entrée 5 d'électrons dans la région de gain (102) vers la sortie d'électrons de la région de gain (102). 7. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que, l'épaisseur d'au moins une couche puits (306) de la zone de 10 blocage (304) est inférieure ou égale à 80%, et plus particulièrement à 50%, de l'épaisseur d'au moins une couche puits (108) de la région de gain. 8. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région de gain (102) et la zone de blocage (304) 15 comportent, chacune, un empilement de couches puits (108,306) et de couches barrière (110,308), l'épaisseur d'au moins une couche barrière (308) de la zone de blocage (304) étant supérieure à l'épaisseur d'au moins une couche barrière (110) dans la région de gain (102). 20 9. Laser (300) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'épaisseur des couches barrière (308) dans la zone de blocage (304) augmente pour atteindre un maximum puis diminue, dans le sens allant de l'entrée d'électrons dans la région de gain (102) vers la sortie d'électrons de la région de gain (102). 25 10. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'épaisseur d'au moins une couche barrière (308) de la zone de blocage (304) est supérieure ou égale à 150%, et plus particulièrement supérieure ou égale à 200%, de l'épaisseur d'au moins une 30 couche barrière (110) dans la région de gain (102). 11. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la région de gain (102) comporte un empilement de couches puits (108,306) et de couches barrière (110,308), et en ce que 3048561 - 18 - dans la zone de blocage (304), au moins une, en particulier chaque, couche puits (306) ou barrière (308) est dopée de type N. 12. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que la région de gain (102), respectivement la zone de blocage (304), est formée par un empilement de plusieurs couches puits (108,306) et de plusieurs couches barrière (110,308) alternées, et en ce que : - chaque couche puits (108, 306) est réalisée en Arséniure 10 d'Indium (InAs) ; et/ou - chaque couche barrière (110,308) est réalisée en Antimoniure d'Aluminium (AISb). 13. Laser (300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisée en ce que la région de gain (102) comporte un empilement de couches puits (108,306) et de couches barrière (110,308), la zone de blocage (304) étant formée par un sous ensemble dudit empilement de couches du côté de la sortie d'électrons. 20 14. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de blocage se présente sous la forme d'un empilement de couches, indépendant de la région de gain. 15. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en 25 ce que la zone de blocage se présente sous la forme d'une unique couche, réalisée en un alliage dont la composition varie de manière continue.