Thèse soutenue le 13 décembre 2022 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
Il existe une demande croissante pour des lasers ultraviolets compacts à base de semi-conducteurs pour des domaines d'application tels que la désinfection, les traitements médicaux, la communication sans visibilité directe, la détection à distance Lidar ou l'impression 3D. Cette région spectrale est principalement couverte par les lasers excimères, qui présentent de nombreuses restrictions dues à l'utilisation de gaz halogènes corrosifs, ou les lasers à conversion de fréquence, malgré leur limitation en termes de flexibilité de longueur d'onde. Dans ce contexte, l'AlGaN est un matériau prometteur en raison de sa large bande interdite directe, de ses capacités d'ingénierie de bandes et de son accordabilité en longueur d'onde. Cependant, les performances des diodes laser à base d'AlGaN restent limitées en raison de problèmes d'injection de porteurs. Les fortes concentrations de dopage nécessaires pour obtenir une conductivité de type p dégradent la qualité du matériau et augmentent les pertes par absorption, entraînant une forte augmentation du seuil d'émission laser pour les dispositifs émettant en dessous de 370 nm. En alternative, nous proposons de pomper directement une région active à base de nanostructures d'AlGaN avec un faisceau d'électrons, s'affranchissant de tout besoin de dopage ou de contacts ohmiques.
Cette thèse est une contribution au développement de lasers ultraviolets pompés par faisceau d'électrons à base d'AlGaN. Des hétérostructures AlGaN/GaN ont été conçues pour être utilisées comme région active pour des lasers pompés par faisceau d'électrons fonctionnant avec une tension d'accélération ≤ 10 kV et émettant à 355 nm. Des hétérostructures à confinement séparé constituées d'un multi-puits quantique AlGaN/GaN intégré dans un guide d'onde tout-AlGaN ont été fabriquées par épitaxie par faisceaux moléculaires assistée par plasma. Nous discutons de la mise en place de couches à alliage graduée pour améliorer la collecte des porteurs sous pompage par faisceau d'électrons, et nous analysons leur impact sur le seuil d'effet laser. Nous constatons que le seuil laser est décorrélé de l'efficacité radiative des puits quantiques, qui est très sensible à la localisation des porteurs. L’effet laser est démontré à température ambiante sous pompage optique pour des barres laser AlGaN/GaN de différentes longueurs de cavité, émettant à 355 nm. Compte tenu des pertes optiques provenant des facettes clivées, un procédé de gravure en deux étapes a été développé pour fabriquer des cavités optiques à facettes à haute réflectivité, ce qui a réduit le seuil de laser optique à 100 kW/cm² pour une cavité de 0,3 mm de long à température ambiante. A partir de cette valeur, nous estimons un seuil d’émission laser pour le pompage par faisceau d'électrons autour de 240 kW/cm² à température ambiante. Enfin, nous présentons une étude préliminaire vers la fabrication d'hétérostructures AlxGa_1-xN/AlyGa_1-yN ciblant l'émission à 280 nm pour des applications germicides, en appliquant les connaissances obtenues à partir des structures AlGaN/GaN.

Jury :
Président : Julien Barjon
Rapporteur : Peter James Parbrook
Examinateur : Christophe Durand
Examinatrice : Maria Vladimirova
Examinatrice : Sirona Valdueza-Felip
Examinateur : Bastien Bonef
Directrice de thèse : Eva Monroy

Mots clés :
AlGaN, UV, laser, pompage d'électrons, optoélectronique, épitaxie

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