Zinc Oxide Optical Microcavities – ZOOM

1-Contexte scientifique et objectifs du projet Suite au succès des matériaux nitrures dans le domaine de l'optoélectronique, des marchés nouveaux et de gros volume se sont ouverts dans les 10 dernières années et s'ouvrent actuellement, comme l'éclairage domestique. Dans ce contexte porteur, des solutions alternatives et complémentaires au nitrures sont explorées dans certains pays, notamment au Japon, où l'approvisionnement en matières premières (Ga, In) est perçu comme une limitation à moyen terme pour les nitrures. Parmi elles, l'oxyde de zinc ZnO, est un matériau proche des nitrures mais il possède quelques spécificités comme la stabilité de ses excitons (60 meV, plus forte valeur des semiconducteurs) ou sa température de synthèse (inférieure de 400°C à celle de GaN). Largement utilisé sous forme de nanocristaux dans d'autres secteurs comme la parapharmacie, ZnO présente l'avantage de pouvoir être produit à un coût moindre que les nitrures. Enfin, il permet d'éviter les problèmes épineux de brevets qui entoure les nitrures. L'objectif du projet est d'évaluer le potentiel de cette filière ZnO, incluant les hétérostructures basées sur les alliages ZnMgO et ZnCdO pour les applications optoélectroniques dans l'UV et le visible. Afin d'exploiter les propriétés excitoniques favorables de ZnO, le projet mettra l'accent sur les microcavités à base de ZnO, les dispositifs concernés in fine étant les sources à cavité verticale (RCLED et VCSEL) et à plus long terme les dispositifs à polaritons (laser sans seuil, oscillateur et amplificateur paramétrique). Ce projet amont vise à établir les propriétés du matériau et la faisabilité des briques de base dans le contexte des dispositifs optiques sans viser la réalisation des dispositifs eux mêmes, ce qui demanderait un budget largement supérieur au présent budget que nous avons choisi modeste et adapté à un travail exploratoire. 2-Description du projet, méthodologie Les dispositifs visés comprennent une zone active, massive ou à base de puits quantiques, enchassée dans une cavité plane avec des miroirs épitaxiés, diélectriques ou métalliques. Les puits quantiques ZnO/ZnMgO et ZnO/ZnCdO seront épitaxiés par jets moléculaires soit sur des substrats de saphir, soit sur des couches de GaN soit enfin sur des substrats ZnO. Le matériau sera épitaxié sous sa forme polaire (axe c vertical) et non polaire (axe c dans le plan). Le CRHEA a déjà une certaine expertise de ces croissances, et les spectres des premiers puits quantiques réalisés se comparent favorablement à leurs analogues GaN [PRB 72, 241305R (2005)]. Ces hétérostructures seront étudiées en spectroscopie continue, résolue en temps, sous forte injection (GES et LASMEA). Les résultats recherchés portent sur les forces d'oscillateurs et l'énergie de liaison des excitons dans les puits de différentes polarités. A travers des mesures d'élargissement homogène et inhomogène, c'est le potentiel de ZnO de garder des excitons forts (stables) et suffisamment fins spectralement qui sera établi. En ce qui concerne les cavités, le consortium va largement s'appuyer sur ses avancées récentes en matière de cavité GaN sur silicium [Phys. Rev. B 68, 153313 (2003) et PR B 73, 033304 (2006)] ayant permis l'observation du couplage fort dans GaN pour réaliser des cavités à base de ZnO. En effet, le CRHEA a démontré la possibilité d'épitaxier ZnO sur GaN avec une bonne qualité cristallographique. La fabrication de cavités hybrides sera complétée par le dépôt de miroirs diélectriques, en collaboration avec la centrale technologique du LPN. Ces cavités seront étudiées en réflectivité et en (micro-)luminescence (GES et LASMEA) sous diverses conditions de puissance, angle, polarisation. L'observation du couplage fort devrait être relativement rapidement obtenue (sur la base de l'expérience acquise dans GaN). L'amélioration de la durée de vie des photons dans les cavités permettra d'augmenter la robustesse du couplage fort et de mettre l'accent sur les phénomènes n