Etude de la propagation non-linéaire d'impulsions laser ultrarapides infrarouges dans les semi-conducteurs à gap étroit – INSEPTION

Les impulsions laser ultrabrèves sont largement utilisées pour le traitement des diélectriques pour des applications dans des domaines tels que l'optoélectronique intégrée, les dispositifs de laboratoire sur puce et le stockage de données. Cependant, dans le cas des semi-conducteurs à gap étroit tels que le silicium (Si) et l'arséniure de gallium (GaAs), le traitement laser présente des défis considérables en raison des très fortes non-linéarités de l'absorption et de la réfraction. Ainsi, malgré leur rôle clé dans l’électronique moderne, très peu de groupes de recherche travaillent sur l’interaction laser en volume avec les semi-conducteurs. Il a été démontré que le dépôt d'énergie n'est pas suffisant pour atteindre le régime de modification interne dans ces matériaux, conséquence directe des effets de propagation non linéaire. De plus, les modèles théoriques actuels utilisés pour les diélectriques sont inadéquats pour décrire la propagation non linéaire des impulsions laser ultrarapides dans des semi-conducteurs en raison d'approximations semi-classiques trop simplifiées. Par conséquent, les progrès dans ce domaine sont entravés par un manque de compréhension fondamentale qui permettrait le développement de nouvelles techniques pour exalter le dépôt d’énergie.
L'objectif principal de ce projet est de résoudre ce problème et d'améliorer la compréhension de la propagation non linéaire d'impulsions laser ultracourtes à l'intérieur de semiconducteurs à gap étroit. Cela nous permettra de proposer de nouvelles façons de maximiser le dépôt d’énergie dans ces matériaux.
Pour atteindre cet objectif, le partenaire français (LabHC, Saint-Etienne) développera un modèle de mécanique quantique efficace sur le plan informatique. Ce modèle intégrera le couplage entre l'équation de propagation des impulsions unidirectionnelles (UPPE), les équations de Bloch des semi-conducteurs (SBE) et la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Le modèle sera affiné et validé à l'aide de techniques expérimentales uniques développées par l'équipe allemande (IAP, Jena). Par la suite, le modèle sera utilisé pour prédire les conditions laser optimales et planifier de nouvelles expériences nécessaires pour réaliser un dépôt d’énergie exaltée. Les solutions originales proposées dans ce projet consistent en une mise en forme spatiale, temporelle et spatio-temporelle.
La réussite de ce projet repose sur la complémentarité exceptionnelle des partenaires et la singularité de leur expertise dans ce domaine. L'équipe française possède l'expertise théorique en matière de modélisation de la propagation des impulsions laser et de simulations quantiques de photoexcitation ultrarapide. Elle est réputée pour ses travaux théoriques sur le traitement laser des surfaces semi-conductrices et des nanostructures. D’autre part, le partenaire allemand a réalisé des expériences pionnières sur l’interaction laser-semi-conducteur en volume. Leurs découvertes ont conduit à de nombreuses applications, notamment l’inscription de guides d’ondes ultrarapides dans le silicium et le soudage laser ultrarapide semi-conducteur-métal.