EVALUATION DES CONDITIONS DE FAISABILITE DE DIODES LASER A SEMICONDUCTEUR GaAlAs EMETTANT DANS LE SPECTRE VISIBLE. ESTIMATION DE LA LONGUEUR D'ONDE D'EMISSION MINIMALE REALISABLE AVEC DE TELS DISPOSITIFS

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse ont pour principal objectif d’aider à comprendre les différents mécanismes et phénomènes qui interviennent lors de l’interaction d’un laser avec un semiconducteur dans une analyse de circuits intégrés submicroniques. Le but étant de maitriser et améliorer les techniques d’analyse par laser en mode sonde. La miniaturisation et la densification des composants électroniques fait que les techniques d’analyse par laser atteignent leurs limites. Connaitre l’impact des différents paramètres physiques, optiques et électriques sur une analyse sonde est un facteur clé pour pouvoir améliorer la compréhension des signaux sonde mesuré. Ces travaux montrent également l’effet non négligeable de la température sur les techniques d’analyse par laser en mode sonde. / The main objective of the presented research work in this PhD thesis is to help to understand the different mechanisms and phenomena involved in the interaction of a laser with a semiconductor in the analysis of a submicron integrated circuit. The aim is to master and improve the Electro Optical Probing techniques. Miniaturization and densification of electronic components lead the failure analysis techniques using Laser to their limits. Knowing the impact of different physical, optical and electrical parameters on a probing analysis is a key to improve the understanding the measured EOP signals. These studies also show the significant effect of temperature on the EOP techniques.

Le thème central de ce travail de thèse est consacré à la mesure de concentrations de gaz à l'état de traces par spectroscopie d'absorption à haute sensibilité dans le domaine de l'infrarouge et du visible. Différentes sources spectrales sont employées, des lasers à émission verticale en cavité externe (VECSELs), des diodes laser à cavité externe (ECDLs) et des diodes électroluminescentes à émission large bande (LEDs). Deux techniques sont abordées : la OF-CEAS (Optical-Feedback Cavity--Enhanced Absorption Spectroscopy) et la IBB-CEAS (Incoherent Broadband-Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy).<br /><br />D'abord, les notions nécessaires à la compréhension des techniques considérées sont présentées. Suit la description du développement d'un système IBB-CEAS avec une source LED émettant autour de 643 nm, avec application à la détection des oxydes d'azote à l'état de traces. Les résultats obtenus mettent en avant les avantages de cette technique en termes de simplicité, robustesse et de compacité. La limite de détection obtenue pour le radical NO2 est estimée à 1 ppbv pour deux minutes de temps d'acquisition.<br /><br />Pour la deuxième étude concernant une source laser de type VECSEL émettant à 2.3 μm et pompé optiquement, le résultat principal a été l'obtention d'un balayage monofréquence sur une grande plage spectrale de l'ordre de 16.5 cm-1. Cela a demandé un balayage simultané de la température et de la longueur de la cavité laser. Ensuite, des essais préliminaires on été effectués pour coupler cette source avec la technique OF-CEAS. Ces essais ont révélé un problème de stabilité du comportement monofréquence de la source VECSEL en présence de rétroaction optique.<br /><br />Enfin, la faisabilité de la technique OF-CEAS avec une source ECDL émettant dans l'infrarouge proche pour le diagnostic des décharges à basse pression a été démontrée. Le coefficient d'absorption minimale obtenu est de l'ordre de 10-9 cm-1 pour un temps d'acquisition court (0.1 s), valeur typique atteinte auparavant dans divers systèmes OF-CEAS. Des essais ont été réalisés avec une décharge en flux d'argon avec des traces de méthane autour de 1 mbar. Le même niveau de bruit a été observé que sans décharge. Cependant, dans la gamme spectrale accessible avec le ECDL disponible, les radicaux de type CHX produits dans ce type de décharge n'ont pas été détectés.

Le travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'une cotutelle entre le Département de Physique Expérimental à l'Université Comenius à Bratislava et Laboratoire de Spectrométrie Physique à l'Université Joseph Fourier à Grenoble. Le but de la thèse était le développement et l'application de nouvelles méthodes spectroscopiques pour l'analyse de plasma et de gaz. A Bratislava, mon travail était supervisé par le prof. Pevel Veis et le Doc. Peter Macko . Il s'est orienté vers le diagnostique optique de plasma. Mon travail principal a été d'étudier le comportement de la décharge à barrière diélectrique(DBD) ainsi que la production d'oxygène dans l'état singulet. En parallèle, j'ai développé des méthodes de mesures des propriétés physiques liées à cette expérience. Dans le DBD, l'objectif était d'écrire l'évolution temporelle des états électroniques excités au cours de la décharge. La méthode utilisée était la spectroscopie rapide et large bande. Mon travail a consisté à mettre en place l'instrumentation ainsi que les algorithmes pour le traitement de données. Concernant l'étude de la production de l'oxygène singulet, on a développé un système CRDS (Cavity-Ring-Down Spectroscopy) capable de le détecter dans la post-décharge de plasma. A Grenoble, sous la supervision du Dr. Daniele Romanini, l'objectif principal de mon travail a consisté dans le développement d'une nouvelle source laser - Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) et son application dans la spectroscopie d'absorption. Le travail a été réalisé en collaboration avec l'Institut d'électronique du Sud dans le cadre du projet ANR MIREV. En plus de ce travail, j'ai participé au développement d'un détecteur portable et bon marché pour l'analyse quantitative de NO$_2$ et NO$_3$ dans l'atmosphère par la technique Incoherent Broadband Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy.

Le développement d'un procédé de détection de gaz atmosphériques à l'état de traces en temps réel, fiable, robuste, sélectif, sensible et portable, est impératif pour répondre à des enjeux sanitaires, écologiques et industriels. La spectroscopie par diodes laser accordables est une des voies envisagées pour pourvoir à ce besoin. Elle nécessite le développement de diodes lasers mono-fréquences émettant en régime continu à température ambiante entre 2 µm et 3.3 µm. Nous reportons ici les modélisations et développements technologiques nécessaires à la fabrication de lasers à contre-réaction répartie – à couplage par l'indice, réseau du 1er et 2nd ordre, sur substrat antimoniure – ainsi que les résultats obtenus. Dans la première partie de ce document, après avoir dressé le contexte de l'étude, nous introduirons la théorie des lasers à contre-réaction répartie et présenterons les modélisations qui ont permis de décrire nos structures. La seconde partie est dédiée aux développements des procédés technologiques qui ont permis de mettre en place deux filières de fabrication de composants – à savoir des lasers DFB à ailettes et lasers DFB à réseau enterré. La troisième partie expose les performances des composants fabriqués et présente les premières mesures d'analyse de gaz effectuées. Ces travaux ont conduit au développement de deux nouvelles filières de fabrication de composants : des diodes lasers mono-fréquences présentant une puissance élevée et une forte sélectivité modale. Les prototypes fabriqués seront utilisés sur des systèmes de spectroscopie. / Development of a reliable, real-time, selective, sensitive and suitable technique for atmospheric trace gas spectroscopy is a critical challenge in science and engineering, for sanitary, ecological and industrial issues. Tunable single-frequency lasers in the 2µm to 3.3µm wavelength range, working in continuous regime at room temperature, can be used in absorption spectroscopy to identify and quantify several atmospheric gases. We report here on the design, the technological development and the performances of 1st and 2nd order index-coupled distributed-feedback (DFB) antimonide-lasers diodes in the 2µm to 3.3µm wavelength range. The first part of this document establishes the context of the thesis, introduces the DFB theory and our modelisation. The second part presents the technological fabrication of the two different components: the side wall corrugated DFB lasers and the buried DFB lasers. The third part shows the performances of the components and the first tests on gas measurement.This work has led to the development of two different kinds of single-frequency laser diodes with high optical power and spectral purity. The fabricated prototypes will soon be used on gas spectroscopy set-up.

Ce travail de Thèse est lié à l'émergence d'un nouvel axe scientifique de recherche : la science X ultrarapide. La recherche effectuée dans les communautés des lasers intenses et des accélérateurs (synchrotrons) met en évidence une nouvelle génération d'outils associés au rayonnement X, les sources X ultrabrèves. Ces nouvelles sources de durée d'impulsion d'une centaine de femtosecondes (1 fs = 10e-15 s) devraient avoir un impact formidable, par exemple, dans l'étude de la dynamique atomique qui est actuellement limitée à plusieurs dizaines de picosecondes (1 ps = 10e-12 s). Cette thèse présente la première expérience d'application de ces sources X ultrabrèves qui utilisent le rayonnement X produit par l'interaction d'un laser intense avec une cible solide (source laser/plasma). La transition de phase solide/liquide ultrarapide d'un semi conducteur a été mise en évidence et caractérisée à l'aide de la technique de diffraction X résolue en temps. L'analyse des résultats expérimentaux a été effectuée à l'aide d'un modèle simple de l'interaction laser semi conducteur reposant sur une extrapolation du modèle de Drude pour un régime à haute densité de porteurs (10e22 /cm3).