Epitaxial III-nitride nanowire photonic crystals for surface-emitting lasers by molecular beam epitaxy

Les lasers semi‑conducteurs à émission par surface (Surface‑Emitting, SE) sont aujourd’hui l’un des piliers essentiels des technologies photoniques modernes. Actuellement, ces lasers reposent principalement sur l’architecture des VCSEL (Vertical Cavity Surface‑Emitting Lasers), ayant connu un succès majeur dans le proche infrarouge (NIR). Cependant ils accusent un net retard aux longueurs d’onde plus courtes, en particulier dans l’ultraviolet (UV), où aucune technologie existante ne satisfait encore les exigences des applications pratiques. Un progrès décisif dans le développement des lasers SE UV est donc crucial, compte tenu de leurs applications potentielles dans des domaines touchant lavie quotidienne, tels que la désinfection ou le diagnostic médical. Dans ce contexte, les nanofils à base deIII‑nitrure suscitent un vif intérêt pour la réalisation de lasers SE, tirant parti des propriétés physiques uniques de ces matériaux semi-conducteurs, notamment une bande interdite largement ajustable, ainsi que des propriétéesintrinsèques des nanofils (grande surface spécifique, etc.). À ce jour, les III‑nitrures constituent d’ailleurs le seul système entièrement semi‑conducteur adapté à la photonique UV.Dans cette thèse, nous répondons à ce besoin technologique en développant des lasers SE à base de cristaux photoniques de nanofils épitaxiaux (epi‑NPC) III‑nitrure. Ces lasers exploitent les modes à faible vitesse de groupe situés près du point Γ dans la structure de bandes photoniques des nanofils. Cette approche devient possible grâce à une croissance par épitaxie améliorée, réalisée à basse température de substrat — la croissance sélective par zones (Selective Area Epitaxy, SAE) à basse température (LT‑SAE) par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Contrairement à la SAE conventionnelle à haute température, la LT‑SAE offre un contrôle précis de la croissance et de la morphologie des nanofils. À l’aide d’epi‑NPC à base de GaN élaborés par LT‑SAE, nous démontrons un laser SE UV pompé optiquement à 367 nm, avec un très faible seuil de seulement 7 kW/cm2 — soit plus de deux ordres de grandeur de réduction par rapport aux VCSEL UV III‑nitrures rapportés précédemment à des longueurs d’onde similaires. De plus, en ajustant la composition des epi‑NPC III‑nitrure (par exemple, epi‑NPC d’InGaN) et en optimisant les bandes photoniques, nous obtenons également des lasers SE UV à très faible seuil sur diverses longueurs d’onde UV.Cette thèse présente en outre un laser SE UV injecté électriquement. En utilisant du graphène transféré comme contact p supérieur de l’epi‑NPC, nous obtenons une émission laser SE UV à 383 nm sous injection de courant direct. Ce travail ne représente pas seulement une étape majeure vers le développement de lasers SE UV; il jette surtout les bases de lasers SE ajustablesen longueur d’onde couvrant largement le NIR jusqu’à l’UV

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