Emission laser et modélisation du gain optique dans des microcavités Germanium-Etain (GeSn)

This PhD thesis deals with the study of lasing effect in GeSn layers, with the concentration of Sn positioned between 13% and 16%. First, I analyze their photoluminescence - taking into account the effect of the concentration of Sn, of the applied strain and of the temperature – using a FTIR spectrometer. Lasing effect in GeSn micro-cavities is then characterized using the similar experimental setup, revealing the effect of the concentration of Sn and the density of defects on the lasing temperature and the lasing threshold. These observations are then further studied with simulations of optical gain and lasing characteristics. The results suggest that limiting the effect of intervalence absorption and increasing the non-radiative lifetime should be considered in order to achieve a performant GeSn laser at room temperature. These remarks drive the attention towards uniaxial [100] and biaxial (100) strained GeSn layers, with the last chapter dedicated to explore their evolution of the direct and indirect gaps using a tight-binding approach.Ce travail de thèse est dédié à l’étude de l’effet laser dans les couches GeSn entre 13% et 16% de Sn. Je présente d’abord la photoluminescence de ces couches en fonction de la concentration de Sn, de l’état de contrainte et de la température, au moyen de la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR). Le même dispositif est ensuite utilisé pour caractériser l’effet laser dans plusieurs types de micro-cavités GeSn, révélant une dépendance de la température maximale et du seuil laser respectivement à la concentration de Sn et à la qualité cristalline du matériau. Ces deux hypothèses sont ensuite confirmées avec les modélisations du gain optique et des équations laser. Les résultats de simulation suggèrent que limiter l’effet de l’absorption intervalence et augmenter le temps de vie non-radiatif sont des pistes les plus efficaces pour améliorer les performances du laser GeSn. Ces remarques dirigent l’attention vers les couches GeSn déformées en uniaxe [100] et en biaxe (100), dont la variation du gap direct et indirect – importante pour le calcul de gain et l’interprétation des mesures expérimentales – est revisitée dans le dernier chapitre avec un modèle de liaison forte