REPÈRES imulation de la réponse transitoire d`une diode laser à
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1. REP RES ionisante NA imulation de la r ponse transitoire _ d une diode laser une impulsion Mots cl s Diode laser Simulation 2D Irradiation transitoire par Jacques BAGGIO Jean Marc RAINSANT Claudine D HOSE CEA La simulation d une structure laser double h t rojonction soumise une irradiation transitoire a permis de localiser les diff rentes r ponses au sein du composant et d identifier ainsi les ph nom nes li s aux r ponses lectrique et optique de la diode 1 INTRODUCTION Les exp riences de physique aupr s du laser Ph bus puis du laser M gajoule peuvent produire des rayonne ments X y et neutrons Les composants lectroniques situ s proximit imm diate des cibles sont soumis ces flux susceptibles de perturber leur fonctionnement Ceci nous a conduit tudier la r ponse de diodes laser une impulsion ionisante L irradiation a pour effet de cr er une densit volumique uniforme de paires lectron trou dans les mat riaux Outre la r ponse lectrique de type photocourant engendr e par cette g n ration la puissance optique de la diode laser va galement tre perturb e La principale difficult vient du fait que les structures de ces diodes sont assez complexes et comportent diff rents mat riaux La corr lation entre les r ponses lectrique et optique d une diode laser sous irradiation transitoire est tr s difficile tablir partir des seuls r s2. Dans la gamme de d bits de dose tudi e la densit de paires cr es par l irradiation reste inf rieure 10 cm et par cons quent il n y aura pas de variation significative de l indice de r fraction des mat riaux 3 Nous pouvons donc esp rer simuler ces effets gr ce l utilisation clas sique d un simulateur de composant REE N 4 Avril 1997 71 IREP RES COMPOSANTS LECTRONIQUES SOUMIS RADIATIONS 72 2 STRUCTURE DE LA DIODE LASER ETUDIEE La diode laser que nous allons tudier est compos e d une double h t rojonction permettant la fois le confi nement des porteurs libres et des photons dans la partie dite active de la diode Fig 1 La diff rence de gap entre les mat riaux ici entre InP et InGaAsP forme un puits de potentiel dans lequel les porteurs peuvent s accumuler et se recombiner de fa on radiative L indice de r fraction de la couche active tant plus lev les photons ainsi cr s se d placent parall lement au plan des couches 4 Les miroirs de la cavit de type Fabry Perot sont r alis s par simple clivage des faces avant et arri re de la puce La longueur d onde d mission fix e par le gap de la couche active est de 1300 nm L mission laser appara t partir d un certain seuil de densit de courant not Jth au del duquel le gain d mission stimul e dans la cavit est sup rieur aux pertes totales miroirs et cavit 5 Afin de diminu
3. videmment du courant de polarisation Pour Id Ith 5 mA le d bit critique Dc est gal 2 10 rad Si s 1 6E 03 Cavit Z 12E 03 o 2 Hors irradiation B 806027 k 2E 11 rad Siy s 8 o E o ta 0 0E 00 4 0E 02 PEE SE E CENE E A EE EE OO E 0 10 20 30 40 50 Distance X um 5 Diminution de la densit de courant au centre de la structure pendant l irradiation REE N 4 Avril 1997 73 REP RES COMPOSANTS LECTRONIQUES SOUMIS RADIATIONS 74 La simulation d une structure r elle guidage par le gain a permis de mettre en avant l effet de d confinement du courant pendant l irradiation ce fonctionnement ayant t observ de fa on exp rimentale 1 Le manque d informa tions technologiques pr cises nous emp che d effectuer des comparaisons quantitatives entre les simulations et les exp riences mais les r sultats sont coh rents aussi bien en ce qui concerne le photocourant que la r ponse optique 4 DISCUSSION Les simulations pr c dentes nous permettent de pr dire qualitativement le fonctionnement d une diode laser sous irradiation transitoire La r ponse optique transitoire de la cavit est malheureusement impossible simuler l heure actuelle avec cet outil mais les r sultats statiques repr sen tent assez bien des conditions d irradiation de quelques dizaines de nanosecondes dur e d irradiation longue face la d
4. 340 June 1982 4 H C CASEY AND M B PANISH Heterostructure lasers New York Academic Press 1978 5 K PETERMANN Laser diode modulation and noise Dordrecht Kluwer Academic Publishers 1988 6 G P AGRAWAL and N K DUTTA Long wavelength semi conductor lasers New York Van Nostrand Reinhold Company 1986 7 D P WILT A YARIV A self consistent static model of the double heterostructure laser IEEE J Quon Elec Vol 17 N 9 pp 1941 1981 8 K B KAHEN Two dimensional simulation of laser diodes in the steady state IEEE J Quan Elec Vol 24 N 4 pp 641 1988 9 J KRAUZE translated from B Mroziewicz Physics of semi conductor lasers New York North Holland 199 Jacques BAGGIO est docteur en lectronique de l universit Montpellier II Il a travaill sur l effet d une impulsion ionisante sur des composants lectro niques et opto lectroniques au CEA DAM de 1993 1996 Jean Marc RAINSANT est dipl m de Sup lec promotion 1995 et titulaire d un DEA d lectronique de l universit Paris VI Il a effectu son service natio nal en tant que scientifique du contigent au CEA DAM en 95 96 Claudine D HOSE DUT g nie lectrique en 1983 a d but Nucl tudes o elle a tudi la vuln rabilit des composants lectroniques aux rayonnements Elle a int gr en 1994 le CEA DAM o depuis elle travaille plus particuli rement sur les activit s
5. 8 1E 09 1E 10 1E 11 1E 12 D bit de dose rad Si s 3 Augmentation de la puissance optique sous irradiation rant dans une diode laser Ces simulations qui sont cette fois ci r solues temporellement ne prennent pas en comp te l h t rojonction tudi e pr c demment mais seulement les r gions de faible conductivit repr sent es sur la Fig 4 Cette structure destin e concentrer les lignes de courant sur quelques microns afin d abaisser le courant de seuil Ith est utilis e couramment pour la fabrication des diodes laser actuelles 6 9 RS F Contact d anode y 20 um Contact de cathode 4 Structure de confinement lat ral du courant On peut noter sur la Fig 5 la distribution de la densit de courant en fonctionnement normal La valeur maximum 1 2 10 A cm correspond un point de polarisation gale Ith 5 mA Sous irradiation le courant total cro t surtout cause de l augmentation de la conductivit dans les r gions peu dop es porteurs en exc s La simulation montre que au contraire la densit de courant diminue l g rement au centre de la structure Cet effet est illustr par la Fig 5 o la densit maximum passe de 1 2 10 1 10 Cette faible variation est suffisante pour passer en dessous de la densit de courant de seuil Jth o la diode ne fonctionne plus en laser Le d bit de dose critique De qui provoque ce passage en dessous du seuil d pend
6. er le courant de seuil Ith et pour obtenir une mis sion spatiale compatible avec le couplage des fibres optiques typiquement 9 um de diam tre les lignes de courant sont concentr es sur quelques microns de large au centre de la structure Dans ce cas on parle de structure guidage par le gain Parmi les diff rentes techniques utili s es on peut citer le bombardement protonique permettant de cr er deux zones lat rales de faible conductivit 6 Zones de faible conductivit InP N SUBSTRA 250 um 1 Structure double h t rojonction guidage par le gain mettant 1300 nm 3 SIMULATIONS 3 1 Pr sentation de l outil de simulation Le simulateur de composants utilis s appelle Blaze de la soci t Silvaco Le produit est sp cialis dans la simula tion lectrique 2D des mat riaux compos s II VI et M Y et dispose de divers modules optionnels dont Luminous et Laser qui nous ont permis de r aliser cette tude REE N 4 Avril 1997 Luminous permet de simuler l interaction de photons avec les divers mat riaux disponibles et donc d tudier en d tail le comportement des photod tecteurs r ponses spectrales dynamique de r ponse etc Afin de retrans crire le ph nom ne de cr ation uniforme de paires dans le volume du composant la fonction de g n ration standard de Luminous a t modifi e pour la rendre ind pendante de la profondeur de p n tration Le
7. nfinement lat ral a pour effet de r dui re l injection de porteurs dans la cavit et devrait donc cor respondre une diminution de la puissance optique Ce r sultat d montre qu une mod lisation une seule dimen sion n est pas capable de rendre compte de l effet de l irra diation en ce qui concerne la r ponse optique de la diode laser Le but de ces simulations tait plut t de comprendre les diverses perturbations engendr es par l irradiation et en particulier de cerner les effets dus la g om trie d une REE N 4 Avril 1997 diode laser Dans cette optique l outil de simulation est suffisamment performant Pourtant on peut regretter de ne pouvoir r soudre temporellement la structure compl te de la diode laser Il faut galement noter l absence de certains mat riaux II V dans une biblioth que pourtant d j bien fournie en particulier certains compos s quaternaires utili s s dans les diodes laser base de GalnP R f rences 1 J BAGGIO J M RAINSANT C D HOSE P LALANDE O MUSSEAU J L LERAY Comparison of Laser Diode Response to Pulsed Electrical and Radiative Excitations IEEE Trans Nuc Sci Vol 43 N 6 Dec 1996 2 Silvaco ATLAS 2D Device simulator Manuel d utilisateur 1996 3 M S WHALEN AND J STONE Index of refraction of n type InP at 0 633 pm and 1 15 pm wavelengths as a function of carrier concentration J Appl Phys Vol 53 N 6 pp 4
8. nombre de paires cr es est alors un param tre fournir au simulateur en fonction de chaque mat riau 1 Ce logiciel fonctionne sur le principe habituel de r solu tion des quations de Poisson et de transport pour les deux types de porteurs en chaque point d un maillage d fini par l utilisateur Le module Laser reprend ce m me principe pour le calcul de la densit de photons en fonction de la densit de porteurs libres dans le milieu actif Un maillage suppl mentaire en deux dimensions est d fini afin de per mettre ce calcul tandis que la longueur de la cavit Fabry Perot troisi me dimension intervient dans la d termina tion du spectre d mission Les mod les utilis s par le module Laser ne permettent pas encore de r soudre de fa on transitoire les quations lectro optiques 7 8 Cette limitation ne permet donc pas de pr dire la r ponse temporelle de la cavit et en par ticulier les effets transitoires comme les oscillations de relaxation 1 Les simulations qui vont suivre se pr sen tent donc uniquement comme un moyen de pr diction qua litatif du comportement de l h t rojonction une fois le r gime d quilibre atteint Ce r gime d quilibre est atteint en pratique au bout de quelques nanosecondes Pour cette raison nous avons d cid de simuler s par ment l h t rostructure et les r gions de confinement du courant afin d obtenir au moins une r ponse temporelle en ce qui conce
9. opto lectro niques
10. rne cette partie de la structure 3 2 Double h t rojonction laser La Fig 2 repr sente la structure de test simul e La lon gueur d onde d mission fix e par la composition de la couche In Ga As P est gale 1300 nm x 0 27 y 0 6 Le confinement des porteurs et des pho tons est assur par les deux couches d InP indice de r fraction plus faible et gap plus important que pour la couche active La largeur du contact d anode permet de limiter la zone d mission environ 10 um Les dimen sions et les dopages ont t choisis en fonction de donn es issues de la litt rature 6 4 Les caract ristiques hors irradiation de cette h t rojonc tion ont t simul es afin de v rifier en premier lieu la coh rence des r sultats obtenus avec le module Laser La densit de courant de seuil laser Jth 3 10 A cm et la puissance optique de sortie sont conformes aux valeurs rencontr es pour ce type de mat riau Nous avons utilis le taux de g n ration de paires go propre chacun des mat riaux composant cette structure pour simuler au mieux les effets de l irradiation 1 Simulation de la r ponse transitoire d une diode laser une impulsion ionisante Contact d anode A a in InP p 110 InGaAsP N 2 10 02 pm A 18 InP n 110 fer 30 um v Contact de cathode 2 Double h t rojonction simul e avec le module Laser L exc s de paires lectron
11. trou cr es par l irradiation conduit naturellement augmenter la densit de porteurs libres dans la cavit Dans le cas o la polarisation de la diode est tr s inf rieure au seuil laser cette augmentation permet d atteindre la concentration qui satisfait la condi tion de Bernard et Duraffourd 4 La recombinaison sti mul e devient pr dominante et le gain du milieu augmente jusqu atteindre les pertes de la cavit L mission laser est alors possible pendant la dur e de l irradiation Dans le cas o la diode laser est polaris e au dessus du seuil laser l irradiation ne fait qu augmenter la concentration de por teurs dans la cavit et la puissance optique augmente en fonction du d bit de dose Les simulations confirment ces hypoth ses de fonction nement pour des polarisations aussi bien en dessous qu au dessus du seuil laser La Fig 3 repr sente la puissance optique suppl mentaire obtenue sous irradiation lorsque la diode est polaris e Ith 10 mA A titre de comparaison la puissance optique hors irradiation correspondant ce courant de polarisation est indiqu e sur la figure par le trait pointill 3 3 Structure de confinement lat ral du courant Ce chapitre est consacr aux simulations de l effet de l irradiation sur la structure de confinement lat ral du cou 10 Puissance optique pour Id Ith 10 mA i E 5 amp o1 8 c E 2 0 01 a 0 001 1E 0
12. ultats exp ri mentaux En effet l irradiation n a pas le m me effet dans l ensemble du composant en particulier en ce qui concer ne la cavit o la moindre variation de la densit des por teurs peut perturber l mission laser Le simulateur permet de conna tre la contribution de chacune des parties de la structure la r ponse de la diode laser PR NE TS a CIN OT VE TE E Les diodes laser double h t rojonction soumises des irradiations subissent des modifications diffi ciles tablir partir des seuls r sultats exp ri mentaux E Des outils de simulation 2 D permettent d observer et de comprendre les effets perturbateurs S Y N Oo P S I S E When subject to ionizing radiation double hetero junction diodes undergo changes that are difficult to determine from experimental results alone E This article discusses 2D simulation tools for inves tigating these phenomena Les exp riences r alis es 1 nous am nent penser que le comportement observ est principalement d la varia tion de la r partition spatiale de la densit de courant dans la diode laser Afin de v rifier cette hypoth se nous avons utilis un simulateur de composants 2D particuli rement adapt la description des composants opto lectroniques 2 Nous avons pu ainsi tudier la r ponse lectrique photocourant et optique d apr s l observation de la den sit de porteurs dans la cavit de la diode laser
13. ur e de vie des porteurs dans la diode laser Le photocourant issu des deux structures simul es double h t rojonction et structure de confinement lat ral du courant tend faire augmenter le courant direct de la diode laser La r ponse due uniquement la g n ration dans la cavit est faible et ce en grande partie parce que la majorit des paires lectron trou cr es se recombinent dans la zone active Le photocourant total d pend donc de l ensemble de la structure et non pas sp cifiquement de la g n ration dans la cavit Les simulations incitent penser que la r ponse optique de la diode laser sous irradiation est domin e par l effet de d confinement lat ral du courant On a pu voir que le d bit de dose critique pour lequel la densit de courant dans la cavit devient inf rieure Jth est de l ordre de 10 rad Si s Or ce d bit les simulations de l h t rojonction seule montrent que l augmentation de la densit de por teurs due l irradiation dans la cavit n est pas significati ve La variation de l mission laser est donc principale ment li e la diminution transitoire de la densit de cou rant 5 CONCLUSION En conclusion les simulations nous ont permis d obser ver que l irradiation avait pour effet d augmenter le cou rant direct de la diode laser tout en diminuant sa puissance optique La variation locale de la densit de courant au sein de la structure de co
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