Propriétés optiques de micro-disques à base de nitrures d’éléments III

Stéphane Mattei

16 mars 2007

Directeur du projet :Prof. Nicolas Grandjean

Assistants:Dr. Raphaël ButtéDobri Simeonov

Plan de la présentation

• Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III

• Intérêt et caractéristiques des structures micro-disques

• Modes de galerie

• Fabrication des micro-disques

• Mesures optiques

• Simulations numériques

Nitrures d’éléments III – Micro-disques – Modes de galerie – Fabrication – Mesures optiques – Simulations - Conclusion

Intérêt et caractéristiques des nitrures d’éléments III

• Structure cristalline wurtzite (stable)• Stabilité et solidité mécanique• Gravure chimique possible par la

face azote• Polarisation spontanée• Polarisation piézo-électrique

• (Ga, Al, In)N• Forte utilisation en optoélectronique• SC directs dont les composés

couvrent une large gamme de bandes interdites

• Puits quantiques InGaN/GaN• Effet Stark• Décalage de Stokes

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Intérêt et caractéristiques des structures micro-disques

Gayral et al., APL 75(13) 1999

GaAs, diam. 3 µm

Tamboli et al.,Nature Phot., 1, 2007

GaN sur InGaN, diam. 1.2 µm

• Petit volume modal

• Concept simple

• Confinement optique élevé grâce à la séparation

entre le disque et le substrat par le pilier

• Fabricable par des méthodes de gravure

puits quantiques InGaNQ jusqu’à 3’700

puits quantiques InGaAsQ jusqu’à 2’000

boîtes quantiques InAsQ jusqu’à 12’000

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Modes de galerie ayant un facteur de qualité (Q = / élevé

Modes de galerie

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Modes de galerie «à chuchotement»• Whispering gallery modes (WGM)

• Modes acoustiques dans les galeries de structures architecturales

• Produits par le confinement latéral

• Propagation dans le bord de la structure par réflexion sur la paroi

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Modes de galerie dans les micro-disques

• Modes de galerie présents dans les micro-cavités ayant une

symétrie cylindrique (r, θ, z)

• Propagation le long du bord du disque

• Confinement 3D

• Confinement transverse par le rayon (r)

-> définit un rayon effectif

• Confinement longitudinal par la circonférence du disque (θ)

-> définit la fréquence résonnante

• Confinement en guide d’onde par la hauteur du disque (z)

-> définit l’indice effectif

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Classification des modes de galerie

diam. 1.2 µm WGM34,0

diam. 4 µm WGM92,4

diam. 1.2 µm WGM26,1

•Ordres radial et azimutal (nombre de nœuds), WGM#θ#r

•Monomode selon z

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Composante du champ électrique perpendiculaire (Ez) au plan du disque

Fabrication des micro-disques

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Croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM)

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Processus de gravure

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Processus de gravure

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Structure finale fabriquée

1 m

1 m0.2 m

• Diamètre supérieur

d’environ 4 µm

• Côté incliné à 45°

• Surfaces lisses

Images par microscopie électronique à balayage

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Mesures optiques

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Mesures optiques en micro-photoluminescencePompage optique par un laser argon ionisé doublé à 244 nm (5 eV) ou par laser Nd-YAG à 266 nm (4.7 eV)

Mesure par un spectromètre (monochromateur + CCD)

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Emission spontanée dans les micro-disques

Sans cavité optique Micro-disque

300 K, Puissance d’excitation ~ 200 W/cm2

Q > 4000

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Emission stimulée dans les micro-disques

Seuil d’émission laser Emission au-dessus du seuil

300 K

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Observation de l’émission par microscopie optique

0.1 MW/cm2 juste en dessousdu seuil

0.7 MW/cm2 2 MW/cm20 MW/cm2 Seuil à ~0.4 MW/cm2

augmentation de la puissance d’excitation

Disque de 4 µm sous pompage optique par le laser Nd-YAG à 266 nm

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4 m

Motif d’émission

• Emission plus importante dans le bord du disque

• Symétrie centrale

• Caractéristique des modes de galerie

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Simulations numériques

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Méthode des éléments finis

• Discrétisation de l’espace (éléments finis)

• Evolution temporelle pas à pas avec

résolution des équation de Maxwell à

chaque étape

• Liaison entre les éléments par des

conditions aux limites

• Quasi-continuité

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Méthodologie utilisée pour les simulations

Investigation des modes optiques dans la cavité micro-disque

• Positionnement dans la cavité d’une source qui fournit un pulse gaussien

• Observation des modes optiques formés après le pulse

• Détection des fréquences résonnantes par analyse harmonique

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Etude du confinement par le rayon

Calcul de l’espacement modal:

Il est important de faire la distinction Reffectif ≠ Rdisque !

Condition de résonance des modes de galerie longitudinaux:

Définition du paramètre caractérisant le confinement du mode:

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diminution lorsque la taille du disque augmente

augmentation avec l’ordre azimutal

Dépendance du rapport entre le rayon effectif et le rayon du disque

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Disque de 1.2 µm de diamètre, mode WGM34,0

Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque

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Distribution de l’amplitude du champ électrique dans le disque

Disque de 1.2 µm de diamètre, mode WGM26,1

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Etude des différences entre la structure de disque et de cône

Disque Cône tronqué inversé

Considéré sans pilier

GaN

Pas de substrat dans les deux cas

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Comparaison du champ interne du disque et du cône

Diamètre supérieur 4 µm

Cône tronqué inverséDisque

Coupe parallèle à la surfaceau milieu de la couche de GaN

Coupe perpendiculaire à la surface passant par le centre

WGM22,0WGM24,0

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Cône tronqué inverséDisque

Comparaison du champ d’émission du disque et du cône

Logarithme du carré de l’amplitude

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Évolution temporelle des modes

Isolement des modes ayant un facteur de qualité élevé après la fuite des autres modes

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Modes obtenus par simulation

Cône tronqué inversé, diamètre supérieur 1.7 µm

Comparaison des modes résonnants obtenus par simulation avec un spectre expérimental

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Dispersion d’indice

La dispersion n’est pas négligeable car on travaille proche du gap de GaN

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Introduction de la dispersion d’indice

avec dispersion d’indicesans dispersion d’indice

Cône tronqué inversé, diamètre supérieur 2.1 µm

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Perspectives et conclusion

• Introduction de la dispersion

• Variation de la structure (par exemple introduction de défauts)

• Mesures optiques sur des tailles différentes et connues plus

précisément

• Fabrication de micro-disques ayant des bonnes propriétés

d’émission spontanée et stimulée

• Observation des modes de galerie dans ces structures

• Etude des modes optiques par la méthode des éléments finis

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