Etude et simulation des propriétés électroniques et optiques d'un laser à boîte quantique à base de ZnO et ses alliages

Abstract

الملخص (بالعربية) :

حظيت النقاط الكمومية لأشباه الموصلات (QDs) باهتمام كبير في العقود الأخيرة نظرًا لخصائصها الرائعة ، حيث تكون حاملات الشحن محصورة في جميع الاتجاهات الثلاثة في الفضاء. في QDs ، تكون مستويات الطاقة منفصلة والانتقالات بين الإلكترونات والثقوب قابلة للمقارنة مع التحولات بين المستويات المنفصلة للذرات المفردة. لذلك ، توصف النقاط الكمومية أحيانًا بأنها ذرات اصطناعية. أظهر استخدام هذه الهياكل في الأجهزة الإلكترونية الضوئية الحصول على أداء أعلى. من بين أشباه الموصلات واسعة الفجوة ، حظي أكسيد الزنك (ZnO) وسبائكه الثلاثية باهتمام متزايد في السنوات الأخيرة بسبب مزاياها المحتملة على نيتريد III-V ، مثل توفر الركيزة ، وتقنيات النمو والمعالجة الأبسط نسبيًا ، وربط الإكسيتون الأكبر الطاقة (60 ملي إلكتروفولت مقابل 25 ملي إلكتروفولت من أجل نيتريد الغاليوم GaN). فجوة الطاقة الكبيرة لـ ZnO (3.4 إلكتروفولت) والإمكانيات الهندسية ذات فجوة الحزمة التي تقدمها CdZnO (للفجوة الضيقة) و MgZnO (للفجوة الأوسع) تجعل نظام مادة ZnO منافسًا واعدًا في مجال الإلكترونيات الضوئية. في ضوء ما سبق، فإن الهدف الرئيسي من أطروحتنا هو إظهار أهمية الاستخدام المزدوج لـ ZnO وسبائكه مع QDs كوسائط نشطة في ثنائيات الليزر. نسعى لتحسين أداء وخصائص الليزر من النمذجة والمحاكاة العددية لهياكل ليزر QD بناءً على ZnO وسبائكه مثل MgZnO و. CdZnO. نتائجنا التي تم الحصول عليها مماثلة بشكل عام لتلك الموجودة في الأدبيات الموجودة في مجال ليزرQD، مما يعطينا مؤشرًا واضحًا على أهمية ZnO وسبائكه ، والكفاءة العالية لنموذجنا المستخدم لإبراز خصائص هذا النوع من المركبات الكهروضوئية. الكلمات المفتاحية : ليزر أشباه الموصلات، نقطة الكم، أكسيد الزنك، السبائك، معادلات الميزانية، المحاكاة.

Résumé (en Français) :

Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices ont reçu une attention considérable au cours des dernières décennies en raison de leurs propriétés remarquables, où les porteurs de charge sont confinés dans les trois directions de l'espace. Dans les BQs, les niveaux d'énergie sont discrets et les transitions entre les électrons et les trous sont comparables aux transitions entre les niveaux discrets des atomes simples. Les BQs sont donc parfois décrits comme des atomes artificiels. Ces structures ont été avantageuses dans les dispositifs optoélectroniques où leur utilisation permet d'obtenir des performances plus élevées. Parmi les semi-conducteurs à large bande interdite, l'oxyde de zinc (ZnO) et ses alliages ternaires ont fait l'objet d'une attention croissante ces dernières années en raison de leurs avantages potentiels par rapport aux nitrures III-V, tels que la disponibilité du substrat, des technologies de croissance et de traitement comparativement plus simples et une énergie de liaison des excitons plus élevée (60 meV contre 25 meV pour le GaN). La grande bande interdite du ZnO (Eg=3,4 eV) et les possibilités d'ingénierie de la bande interdite offertes par le CdZnO (pour une bande interdite plus étroite) et le MgZnO (pour une bande interdite plus large) font du système de matériaux ZnO un concurrent prometteur dans le domaine optoélectronique. À la lumière de ce qui précède, l’objectif principal de notre thèse est de montrer l'importance de la double utilisation du ZnO et ses alliages avec les BQs comme des milieux actifs dans les diodes laser. On cherche à améliorer les performances et les propriétés des lasers à partir de modélisation et simulation numérique des structures laser à BQ à base de ZnO et ses alliages tel que MgZnO et CdZnO. Nos résultats obtenus sont similaire globalement avec ceux de la littérature existante de domaine du laser à BQs, ce qui nous donne une indication claire de l'importance de ZnO et ses alliages, et de la grande efficacité de notre modèle utilisé pour mettre en évidence les propriétés de ce type de composés optoélectroniques. Les mots clés : laser de semi-conducteur, boîte quantique, ZnO, alliages, équations du bilan,simulation.

Abstract (en Anglais) :

Semiconductor quantum dots (QDs) have received considerable attention in recent decades due to their remarkable properties, where charge carriers are confined in all three directions in space. In QDs, the energy levels are discrete and the transitions between electrons and holes are comparable with transitions between discrete levels of single atoms. So, quantum dots are sometimes described as artificial atoms. These structures have been advantageous in optoelectronic devices where their use allows obtaining higher performances. Among wide-gap semiconductors, zinc oxide (ZnO) and its ternary alloys have received growing attention in the last years due to their potential advantages over III–V nitrides, such as substrate availability, comparatively simpler growth and processing technologies, and larger exciton binding energy (60 meV against 25 meV for GaN). The large energy gap of ZnO (Eg=3.4 eV) and the bandgap engineering possibilities offered by CdZnO (for narrower gap) and MgZnO (for wider gap) make the ZnO material system a promising contender in the optoelectronics field. In light of the above, the main objective of our thesis is to show the importance of the dual use of ZnO and its alloys with QDs as active media in laser diodes. We seek to improve the performance and properties of lasers from modeling and numerical simulation of QD laser structures based on ZnO and its alloys such as MgZnO and CdZnO. Our results are globally similar with those of the existing literature in the field of Qd lasers, which gives us a clear indication of the importance of ZnO and its alloys, and of the high efficiency of our model used to highlight the properties of this type of optoelectronic compounds. Keywords : Semiconductor laser, Quantum dot, ZnO, Alloys, Balance sheet equations, Simulation.