Book [PDF] Electroluminescence En Avalanche Des Jonctions P N A Base De Silicium Et Darseniure De Gallium Et Effet Dirradiation Microforme Download

Électroluminescence en avalanche des jonctions p-n à base de silicium et d'arséniure de gallium, et effet d'irradiation [microforme] PDF

Author: Sidi Aboujja
Publisher: National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 304

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Book Description
Dans ce travail de thèse nous étudions l'électroluminescence (EL) des jonctions à base de silicium (Si) et d'arséniures de gallium (GaAs), polarisées en avalanche. Dans le cas des jonctions p-n à base de Si (semi-conducteur à gap indirect), la polarisation en direct est accompagnée d'une émission de lumière dans l'infrarouge. Cette émission est due à la recombinaison des électrons-trous à travers le gap indirect appelée recombinaison interbande. La polarisation en avalanche est accompagnée d'une émission de lumière dans le visible. Cette émission fait l'objet de controverses depuis sa découverte en 1955. Il n'y a pas encore un accord définitif sur son origine. Une des causes du désaccord est la forme spectrale du signal qui apparaît non reproductible. Souvent les spectres sont présentés sans correction par la réponse du système de détection. La plupart des modèles proposés pour expliquer cette émission en avalanche se basent sur les transitions entre la bande de conduction et la bande de valence appelés modèles interbandes. Pour vérifier sa validité, nous avons exposé les jonctions aux irradiations dans le but d'introduire des défauts dans la bande interdite et nous avons fait varier la température afin de changer le gap et la population des porteurs. Nous avons observé que l'EL dans le mode de polarisation directe chute suite aux irradiations et à la baisse de température, comme prévu. Mais l'EL en avalanche est insensible à ces deux perturbations. Par conséquent nous avons rejeté le mécanisme de recombinaison interbande. Pour expliquer l'émission en avalanche nous proposons des transitions entre d'autres niveaux excités appelés sous-bandes de conduction. La mesure de durée de vie qui s'est révélée courte suggère des transitions directes entre sous-bandes de conduction. La confrontation de la structure de bandes d'énergie et l'expérience nous à permis d'attribuer cette émission en avalanche à des transitions entre les sous-bandes de conduction [gamma]1 et [gamma]'1 et / ou entre les extrema des sous bandes associées aux niveaux [gamma]'12 - [gamma]'2. Pour mieux comprendre cette émission en avalanche nous avons étudié l'EL des jonctions à base de GaAs, car ce matériau a un coefficient d'absorption différent de celui de Si à cause de son gap direct. Contrairement au Si, le spectre d'EL des jonctions à base de GaAs polarisées en avalanche contient deux transitions séparées, une première à 1.44 eV et une deuxième à 1.95 eV. La première est voisine de l'énergie du gap de GaAs (1.43 eV) et a la même origine interbande que l'émission dans le mode de polarisation directe, la deuxième dont l'origine est controversée a une énergie plus grande que celle du gap. Cette dernière transition correspond à une émission dans le jaune, exactement comme l'émission en avalanche des jonctions à base de Si. Pour clarifier son origine, nous avons effectué les mêmes expériences que pour le Si en exposant les jonctions aux irradiations et en changeant la température. Les deux transitions ont un comportement différent avec l'irradiation et la température. Par conséquent, nous rejetons le modèle interbande pour la transition à 1.95 eV. Des transitions entre une bande excitée et la bande de valence ont été proposées, mais l'énergie calculée de ces transitions dépasse largement 1.95 eV. Nous pensons plutôt que la transition à 1.95 eV est une transition indirecte entre la deuxième sous-bande de conduction et le minimum de la première sous-bande de conduction. Cette interprétation est en accord avec la valeur de l'énergie calculée et avec les résultats des mesures en fonction de température et de l'irradiation. En résumé, ce travail montre que dans les jonctions à base de Si et de GaAs polarisées en avalanche, la lumière est émise entre deux niveaux excités sans impliquer la bande de valence.

Électroluminescence en avalanche des jonctions p-n à base de silicium et d'arseniure de gallium, et effet d'irradiation PDF

Author: Sidi Aboujja
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Dans ce travail de thèse nous étudions l'électroluminescence (EL) des jonctions à base de silicium (Si) et d'arséniures de gallium (GaAs), polarisées en avalanche. Dans le cas des jonctions p-n à base de Si (semi-conducteur à gap indirect), la polarisation en direct est accompagnée d'une émission de lumière dans l'infrarouge. Cette émission est due à la recombinaison des électrons-trous à travers le gap indirect appelée recombinaison interbande. La polarisation en avalanche est accompagnée d'une émission de lumière dans le visible. Cette émission fait l'objet de controverses depuis sa découverte en 1955. Il n'y a pas encore un accord définitif sur son origine. Une des causes du désaccord est la forme spectrale du signal qui apparaît non reproductible. Souvent les spectres sont présentés sans correction par la réponse du système de détection. La plupart des modèles proposés pour expliquer cette émission en avalanche se basent sur les transitions entre la bande de conduction et la bande de valence appelés modèles interbandes. Pour vérifier sa validité, nous avons exposé les jonctions aux irradiations dans le but d'introduire des défauts dans la bande interdite et nous avons fait varier la température afin de changer le gap et la population des porteurs. Nous avons observé que l'EL dans le mode de polarisation directe chute suite aux irradiations et à la baisse de température, comme prévu. Mais l'EL en avalanche est insensible à ces deux perturbations. Par conséquent nous avons rejeté le mécanisme de recombinaison interbande. Pour expliquer l'émission en avalanche nous proposons des transitions entre d'autres niveaux excités appelés sous-bandes de conduction. La mesure de durée de vie qui s'est révélée courte suggère des transitions directes entre sous-bandes de conduction. La confrontation de la structure de bandes d'énergie et l'expérience nous à permis d'attribuer cette émission en avalanche à des transitions entre les sous-bandes de conduction [gamma]1 et [gamma]'1 et / ou entre les extrema des sous bandes associées aux niveaux [gamma]'12 - [gamma]'2. Pour mieux comprendre cette émission en avalanche nous avons étudié l'EL des jonctions à base de GaAs, car ce matériau a un coefficient d'absorption différent de celui de Si à cause de son gap direct. Contrairement au Si, le spectre d'EL des jonctions à base de GaAs polarisées en avalanche contient deux transitions séparées, une première à 1.44 eV et une deuxième à 1.95 eV. La première est voisine de l'énergie du gap de GaAs (1.43 eV) et a la même origine interbande que l'émission dans le mode de polarisation directe, la deuxième dont l'origine est controversée a une énergie plus grande que celle du gap. Cette dernière transition correspond à une émission dans le jaune, exactement comme l'émission en avalanche des jonctions à base de Si. Pour clarifier son origine, nous avons effectué les mêmes expériences que pour le Si en exposant les jonctions aux irradiations et en changeant la température. Les deux transitions ont un comportement différent avec l'irradiation et la température. Par conséquent, nous rejetons le modèle interbande pour la transition à 1.95 eV. Des transitions entre une bande excitée et la bande de valence ont été proposées, mais l'énergie calculée de ces transitions dépasse largement 1.95 eV. Nous pensons plutôt que la transition à 1.95 eV est une transition indirecte entre la deuxième sous-bande de conduction et le minimum de la première sous-bande de conduction. Cette interprétation est en accord avec la valeur de l'énergie calculée et avec les résultats des mesures en fonction de température et de l'irradiation. En résumé, ce travail montre que dans les jonctions à base de Si et de GaAs polarisées en avalanche, la lumière est émise entre deux niveaux excités sans impliquer la bande de valence.

Raman lasers and amplifiers in silicon photonics PDF

Author: Mohammad Ahmadi
Publisher:
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Languages : en
Pages : 0

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Book Description
Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles.

Électroluminescence en avalanche des jonctions p-n à base de silicium et d'arséniure de gallium, et effet d'irradiation [microforme]