Boîtes quantiques autoassemblées
Lasers à boîtes quantiques autoassemblées d'InAs/GaAs

2.1 Effet du confinement électronique sur la densité d’états

Jusqu’à la moitié des années 1980, les lasers avec une zone active épaisse de plusieurs micromètres dominaient le marché. Mais ce n’est qu’avec l’introduction des diodes laser à puits quantiques et la forte réduction des densités de courant de seuil, de l’ordre de 50 A/cm ² , obtenue en premier par Z. I. Alferov, prix Nobel de physique en 2000, que le marché des diodes laser explosa. En 1982, Y. Arakawa et H. Sakaki, de l’université de Tokyo, étudièrent l’effet de confinement de la zone active dans les trois dimensions de l’espace . Pour un laser à boîtes quantiques, ils prédirent une très faible densité de courant de seuil et une complète indépendance des caractéristiques laser vis-à-vis de la température (i.e. T₀ infinie).

Le paramètre clé est l’effet du confinement sur la densité d’états qui se produit lorsque la dimension de la zone active est du même ordre que la longueur d’onde de De Broglie de l’électron (figure 4). Lorsque le confinement du mouvement de l’électron a lieu dans une direction (cas du puit quantique) ou deux directions (cas du fil quantique), des sous-bandes apparaissent. Dans le cas de la boîte quantique où le confinement a lieu dans les trois directions de l’espace, la densité d’états ρ(E) devient complètement quantifiée, avec une série de niveaux discrets, de manière similaire à celle d’un atome. D’ailleurs, les boîtes quantiques sont souvent décrites comme des « atomes artificiels ». A température ambiante, la dimension typique à laquelle le confinement électronique affecte la densité d’états est de l’ordre de 20 nm pour GaAs.

Aujourd’hui, deux approches sont poursuivies afin de réaliser des diodes laser émettant à 1,3 µm sur substrat de GaAs : celle à base de puits quantiques de GaInNAs et celle qui utilise des boîtes quantiques d’InAs sur substrat de GaAs (InAs/GaAs). Cependant, c’est la seconde approche qui présente les meilleures caractéristiques et perspectives. A 1,3 µm, les valeurs records publiées pour J _th sont comprises entre 10 et 30 A/cm²  , qui sont les plus faibles valeurs obtenues pour un laser émettant par la tranche, puits et boîtes...