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Fabrice Enjalbert

Étude des hétérostructures semi-conductrices III-nitrures et application au laser UV pompé par cathode à micropointes

Publié le 17 décembre 2004


Thèse soutenue le 17 décembre 2004 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Joseph Fourier - Grenoble I - Spécialité : Physique des Matériaux

Résumé :
Le travail présenté dans ce rapport a pour objectif d'étudier la faisabilité d'un laser à semi-conducteurs III-nitrures pompé par cathode à micropointes émettant dans l'UV lointain (250–350 nm). La structure laser, élaborée en EJM, est une hétérostructure à confinement séparé dont la zone active est constituée de puits (ou boîtes) quantiques de GaN dans une barrière d'AlxGa1-xN. Elle est pompée par un faisceau d'électrons énergétiques (~10 keV) générés par une cathode à micropointes. Le faisceau électronique converge sur la structure laser grâce à des aimants permanents qui impriment aux électrons un mouvement cyclotron. Cette étude a mis en évidence deux verrous technologiques dans la réalisation de ce laser. Premièrement, le seuil laser est très élevé (~10 MW/cm2 en pompage optique). En effet, la qualité des alliages AlxGa1-xN constituant la barrière est insuffisante, ce qui se traduit par un faible transfert des porteurs vers les puits quantiques. Des mesures de cathodoluminescence ont été couplées à des simulations pour étudier la diffusion ambipolaire dans les hétérostructures. La longueur de diffusion varie sur trois ordres de grandeur (~nm–μm) selon la couche étudiée. Elle est la plus faible dans la barrière d'Al0.1Ga0.9N. L'utilisation de substrats de SiC face carbone a permis d'améliorer la qualité des échantillons. Deuxièmement, le courant émis par les micropointes (~A/cm2) est insuffisant pour atteindre le seuil laser. Un dispositif de dépôt de césium sur les micropointes a été mis au point afin de réduire le travail de sortie des électrons. On a ainsi pu multiplier le courant émis par un facteur 50 pour une tension grille–cathode de 70 V mais le dépôt de césium est inhomogène et instable.

Jury :
Président : Pr Benoît Boulanger
Rapporteur : Dr Brigitte Sieber
Rapporteur : Pr Daniel Araujo
Examinateur : Dr Mathieu Leroux
Examinateur : Dr Jean-Philippe Fève
Directeur de thèse : Dr Daniel Le Si Dang

Mots clés :
Laser, semi-conducteur, diffusion, micropointes, ultraviolet, nitrures, cathodoluminescence, césium

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